倉田奨励金研究報告書｜2017 年度（第 49 回）助成■受領№1330

テラヘルツ放射を用いたパワー半導体デバイスの革新的評価技術開発

代表研究者

川山 巌

大阪大学レーザー科学研究所准教授

1．研究⽬的て有⽤である。

⾃動⾞、電鉄システム、家電製品、電⼒系統等

そこで私は、独⾃に開発した分光・イメージンの電⼒変換損失を⼤幅に削減できるパワー半導体グ⼿法であるレーザーTHz放射顕微鏡/分光法

デバイス（以下パワーデバイス）の技術⾰新が強(LTEM/LTES)をワイドギャップ半導体材料やデく望まれており、単に地球規模の省エネルギー社バイスに適⽤し、パワーデバイスの⾼性能化に資会の実現に重要であると⾔うだけでなく、多くのする⾰新的評価⼿法としての基盤技術を確⽴する

半導体産業で⽇本の国際競争⼒が低下する中で、ことを⽬的として研究を⾏った。

⽇本が世界をリードし他国との差別化を図ることが可能な分野である。現⾏のシリコン（Si）デバ

2．研究内容イスから窒化ガリウム（GaN）や炭化珪素（SiC）

LTEM/LTESの原理は以下の通りである。光励に代表されるワイドギャップ半導体を⽤いたパワ

起キャリアの⽣成、電荷分離、電荷輸送および再ーデバイスへの置き換えにより、システムの電⼒結合という⼀連の現象を伴った光電流の⾼速変調損失は1/2〜1/3に低減できると予測されている。

を、THz放射の波形としてサブピコ秒の分解能でしかしながら、現状のパワーデバイスには⽋計測する。放射される電磁波の電界は、基本的に陥・転位密度の抑制、界⾯分極の制御によるノー電流の時間微分および分極の2回微分に⽐例する

マリーオフ動作の実現、酸化膜等の保護膜の耐⾼ため、放射電磁波の波形は、光励起キャリアのダ電圧化など様々な解決すべき課題が有り、ワイドイナミクスを反映したものとなっている。つまり、ギャップ半導体材料の持つ本来の性能が⼗分に発古典電磁気学より超短パルスレーザーを物質に照揮できていない。これらの課題を解決するために射したときに放射されるTHz波の電界は、は、結晶育成やデバイス作製プロセス技術を⾶躍

ETHz  J t   2 P t 2

的に向上させる必要があり、そのための指針となと近似することが出来る(J：電流, P：分極)。こる評価技術の開発が必須である。特に、上記課題

れより、THz放射の波形は光励起キャリアや分極を克服するためには、表⾯・界⾯近傍を選択的にの動的変化を反映していることが分かる。ETHz、J、測定可能で、⽋陥・転位などの構造的な不具合のPはベクトル量なので、THz放射波形の強度およびみならず分極構造、ポテンシャル分布、およびキ位相から電流および分極の⼤きさと⽅向の検出がャリアの動的挙動を評価可能である分析法が極め可能である。

（1）

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図1のLTEMの基本構成から、GaN試料とTHzディテクターの間に図2のような2つのワイヤーグリッド偏光⼦（WG）を組み込むことによりTHzベクトルイメージングを可能にした。GaN表⾯から放射されたTHz波を⼆つのWGに通して、⽚⽅のWG（図2のWG1）のみを90°回転させることにより、THz波の偏光のx成分とy成分の分布を取
図 1 レーザーTHz 放射顕微鏡システムの模式図。
図1がLTEM/LTESシステムの模式図である。光源としてチタンサファイアレーザーを⽤いた。発振波⻑は690~1050nmと可変であり、100fs程度のパルス幅を持ち、繰り返し周期は80MHzである。

得する事が可能である。WGが45°と−45°のときの検出器でのTHz電界をそれぞれE45°、E−45°とし、試料⾯内で⼊射⾯が含まれる⽅向をx,それに垂直な⽅向をyとすると、それぞれ、

Ex  12

 E  E  E  1 2 E  E 45

45

、

y45

45

(2)

この基本波を⾮線形光学結晶（BBO、BIBO）にの関係を⽤いて、m⾯内でのTHz電場⽅向を検より第⼆⾼調波および第三⾼調波を発⽣させ、こ出する事ができる。図3は、このような⼿法で測定れを励起光として⽤いた。励起光を対物レンズにした、m⾯GaNの表⾯分極のベクトルイメージでより測定試料上に集光した。発⽣したTHz波は放ある。⽮印の⻑さがTHz波ピーク強度、向きがTHz

物⾯鏡によりコリメートされ、検出器上に集光さ波の偏光⽅向である。点線で囲まれた3箇所からのれる。検出器にはダイポール型の光伝導アンテナ

THz波の強度が⼤きく、同時に測定したフォトルを⽤い、トリガー光にはチタンサファイアレーザ

ミネッセンス（PL）測定の結果から、不純物・⽋ーの基本波を⽤いる。我々はすでにこのようなシ陥濃度が⼤きい領域と⼀致していることを確認しステムを⽤いてc⾯GaN基板（c-GaN）およびm⾯ている。またTHz波の偏光⽅向は、[0001]（c軸）GaN基板（m-GaN）からのテラヘルツ放射の計測⽅向にほぼ平⾏であり、中央の領域はその両側のに成功し、c-GaNからの放射強度は表⾯における領域と⽅向が上下逆になっていることが分かる。

不純物濃度影響を受け（Sci Rep. 5, 13860（2015））、

これらの結果から、m-GaNからのTHz放射のメカ

m-GaNからの放射の位相が⾃発分極の⽅向を反ニズムとして以下のように考えられる。積層⽋陥

映 し て い る こ と を 明 ら か に し て い る （ APL

により六⽅晶構造が終端されたことにより、c軸にPhotonics 2, 041304（2017)）。本研究ではTHzベ平⾏⽅向の⾃発分極による電界が光励起キャリア

クトルイメージングの⼿法を取り⼊れ、任意のベを駆動し、表⾯に平⾏な光電流が流れる。式(1)でクトル量をもつm⾯GaNの表⾯の局所分極を可視化することを試みた。

図2

ベクトルイイメージングシステムの模式図

図 3 m 面 GaN の表面分極のベクトルイメージ

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⽰したように、この光電流によりTHz波が発⽣すElectronics(iWOE25), (Switzerland, 2018)

る。つまり、図3は表⾯の不純物・⽋陥分布と分極(4) Iwao Kawayama, “Probing interface potentialの分布の両⽅の影響を受けたものとなっている。

of semiconductor heterostructures with laser

また、中央の破線で囲まれた部分は、他の領域とterahertz emission spectroscopy”, The

180°反対⽅向に向いており、分極反転ドメインで9th International Symposium on Ultrafastあることがわかる。さらに今回のデータからは、

Phenomena and Terahertz Waves(ISUPTW2018),

マクロには表⾯分極はc軸⽅向と平⾏であるが、ミ(Changsha, China, 2018)

クロにはかなりの分布があることも⽰唆している。

(5) 川⼭巌, “テラヘルツ放射分光・イメージン

このように、本研究の⽬的であった、THz放射グによる半導体材料・デバイス評価”, 電⼦情振幅のベクトルマッピングから、格⼦⽋陥・転位、報通信学会テラヘルツ応⽤システム研究会、不純物、および分極構造との相関を明らかにする(仙台、2018)

ことをほぼ達成し、かつPL測定では取得することが困難な分極反転ドメインのイメージングに成功するなど、LTEMが有⼒なワイドギャップ半導体評価法であることを⽰すことができたと考える。
今後はさらに、分極や⽋陥の深さ⽅向依存性など、さらなる計測の⾼度化に取り組みたいと考えている。

３．発表（研究成果の発表）(1) 川⼭巌、“レーザーTHz放射顕微鏡による窒化物半導体特異構造の分極マッピング”、 2019年春季 第66回 応⽤物理学会春季学術講演会
シンポジウム“窒化物半導体特異構造の科学‐ナノ物性評価技術の進展と物性制御‐”、(東京、2019)(2) Iwao Kawayama, “Terahertz emission spectroscopy
and imaging for energy saving material/devicedevelopment”, The 2nd International Conference
on Advanced Materials and Processes forEnvironment, Energy and Health(iCAMP2018),(Montreal, 2018)(3) Jian Hao, Gong Chen, Tatsuhiko Nishimura,Hidetoshi Nakanishi, Hironaru Murakami,
Masayoshi Tonouchi, Iwao Kawayama,“Characteristics of Laser-Induced Terahertz
Emissions from Gallium Oxide Surfaces”,
25th International Workshop on Oxide