九州シンクロトロン光研究センター
県有ビームライン利用報告書
課 題 番 号 ： 100778N（様式第４号）

ナイトライド系化合物半導体の局所構造に関する研究
A study on local structure of nitride semiconductors
郭其新
Qixin Guo
佐賀大学シンクロトロン光応用研究センター
Saga University Synchrotron Light Application Center※ 長 期 利 用 課 題 は 、 実 施 課 題 名 の 末 尾 に 期 を 表 す （ Ⅰ ）、（ Ⅱ ）、（ Ⅲ ） を 追 記 す る こ と 。

１．概要
高 輝 度 青 色 発 光 ダ イ オ ー ド 、高 効 率 太 陽 電 池 材 料 と し て 注 目 を 集 め て い る ナ イ ト ラ イ
ド 系 化 合 物 半 導 体 の 一 つ で あ る InGaN の Ga K 吸 収 端 XAFS 測 定 を 行 っ た 。 理 論 計 算 の結 果 と ほ ぼ 一 致 し て い る こ と か ら InGaN の 電 子 構 造 の 定 量 解 析 に XAFS が 適 用 で き る ことが分かった。
（ English ）We have investigated the electronic structure of InGaN semiconductors by performing x -rayabsorption fine structure (X AFS) spectroscopy at Ga K-edge. The theoretical calculations gave
a reasonable reproduction of the experimental spectral features. The results revealed that thecombination of the experimental XA FS and the theoretical calculations is a powerful tool forsystematic and qualitative analysis of the electronic structure of InGaN semiconductors.

２．背景と研究目的：
ナイトライド系化合物半導体の一つである InGaN は、Ga の組成を変えたヘテロ接合の組み合わせにより、変換効率 60％を超す究極の太陽電池材料として注目を集めている。しかしながら InGaNには、全組成領域の薄膜の作製、結晶膜の高品質化、p 型,n 型導電膜の開発等の基礎的研究課題が横たわっている。特に、InN の解離温度が低いため、従来用いられてきた有機金属気相成長法（MOVPE）
では、高 In 組成の InGaN の成長が困難であり、これまで高性能な太陽電池は作製されなかった。我々は、低温成長が可能な反応性スパッタリング法に注目し、ナイトライド系化合物半導体 InN, GaN, AlN
及び InGaN の低温エピタキシャル成長に関する研究を行ってきた。その結果、InGaN のほぼ全組成領域の薄膜作製に成功している[1]。
InGaN を活性層に用いた高輝度青色発光ダイオードは既に実用化されている。高い貫通転位密度を持っているにもかかわらず、高い量子効率を示している原因としては、活性層のＩｎモル分率ゆらぎにあると報告されているが、構造的に未知な部分が多く、殆ど解明されていないのが現状である。Ｘ
線吸収微細構造（X-ray Absorption Fine Structure: XAFS）測定法は、InGaN 薄膜中に２種類以上の元素を含む混晶の構造解析に適しており、我々は、MOVPE 法で得られた InGaN 薄膜の XAFS 測定を行い、低 In 組成領域での InGaN 構造特性について報告した[2]。そこで、本研究では、反応性スパッタリン
グ法を用いて作製されたほぼ全組成領域の InGaN の Ga K 吸収端の XAFS 測定を行うことにより、InGaN 電子構造の組成依存性を明らかにすることを目的としている。
３．実験内容：InGaN薄膜の成長は，スパッタリング法により行った。成長前に基板表面には、逆スパッタ処理を施し，成長条件は，N2ガス流量4sccm，高周波出力100W，圧力5mTorr，基板設定温度550℃とした。
得られた薄膜の組成はエネルギー分散型X線分析（EDX: Energy Dispersive X-ray Spectrometer）により評価した。Ga K吸収端XAFSの測定については、BL11にて転換電子収量（Conversion electron yield、CEY）検出器を用いて実施した。
４．実験結果と考察
Figure 1 に XAFS 測定に用いられた透過スペクトルを示す。Ga の組成を変化させることにより、InGaN のバンドギャップを制御できることが確認できた。Figure 2 に Ga K 吸収端の XAFS スペクトルを示す。すべての InGaN 試料に対して、ピークＡ、Ｂ、及びＣが観測された。ピークＢとＣとのエネルギー差が 11eV であることから、InGaN 試料の結晶構造がウルツ構造であることが分かり[3]、Ｘ線回折とラマン分光のデータと一致した[1]。Figure 3 は FEFF8 コード[4]より計算された Ga K 吸収
端の XAFS スペクトルであり、実験結果とほぼ一致していることが分かった。

Transmittance (%)

100 Ga x In 1-x N
806040200400 600 800 1000
Wavelength (nm)Figure 1 Transmittance spectra of theobtained GaxIn1-xN films (from left to right
x =1, 0.91, 0.44, 0.30, 0.17, and 0.06).

Ga K-edge
BGa K-edge
BCA

Intensity (arb. units)

C
x=1

x=1
x=0.91x=0.4410380

Ga xIn 1-xN

Intensity (arb. units)

AGax In1-x N

x=0.92x=0.42x=0.30x=0.33x=0.17x=0.17x=0.06x=0.0810400
Energy (eV)

10380
10400
Energy (eV)10420

310420Figure 2 Experimental Ga K-edge XANES

FigureTheoreticallycalculated

spectra for GaxIn1-xN.

K-edge XANES spectra for GaxIn1-xN.

Ga

５．今後の課題：
InGaN 系化合物半導体の構造特性において Ga K 吸収端の XAFS 評価の有用性は確認できたが、結晶性、電子移動度との相関については、試料の作製条件を変化させることにより、確かめていくことが必要である。
６．論文発表状況・特許状況
一部の成果については、論文としての投稿を予定している。
７．参考文献[1] Qixin GUO, Yuta KUSUNOKI, Yaliu DING, Tooru TANAKA, and Mitsuhiro NISHIO, Japanese Journal ofApplied Physics 49, 081206 (2010).
[2] K.P.O'Donnell, R.W.Martin, M.E.White, J.F.W.Mosselmans, and Q.X.Guo, Physica Status Solidi (b), 216,
151-156 (1999).
[3] P. Perlin, C. Jauberthie-Carillon, J. Itie, A. Miguel, I. Grzegory, and A. Polian, Phys. Rev. B 45, 83 (1992).
[4] A. L. Andukinov, B. Travel, J. J. Rehr, and S. D. Conradson, Phys. Rev. B 58, 7565 (1998).
８．キーワード（試料及び実験方法を特定する用語を２～３）
InGaN, XAFS