第34回 無機材料に関する最近の研究成果発表会 －材料研究に新しい⾵をー
住友会館 平成29年1⽉26⽇（⽊）16：10〜16：50
平成29年1⽉26⽇（⽊）16 10 16 50

紫外発光素子のための巨大分極電荷を利用した新しいバンドエンジニアリング⽵内哲也
名城⼤学理⼯学部材料機能⼯学科

本日の内容 背景
 深紫外LEDとp-AlGaN 分極とそれを利⽤したドーピング
分極とそれを利⽤したド ピング

 ⽬的 「分極電荷エンジニアリング」の構築

 検討内容 理論検討 有⽤性実証 新規素⼦構造

 まとめ2

背景 深紫外
背景：深紫外LED⻘⾊（470nm、2.6eV）よりも短い波⻑（270nm、4.6eV）のLED実現⇒ 安⼼・安全な社会の実現
安⼼ 安全な社会の実現
応⽤分野
深紫外光（〜270nm）による殺菌・不活性化

エボラウィルス（国⽴感染症研究所）

MERSウイルス（国⽴感染症研究所）

270nmの光はDNAに直接作⽤し、ほとんどのウィルスや菌を不活性化
⽇機装ウェブサイトより

東京エレクトロンウェブサイトより

背景 デ イス構造
背景：デバイス構造
⻘⾊LED

深紫外LED 270nm

470nm

2.6〜3.8eV

4.6〜5.5eV

p++-GaN

p++-GaN

p-GaN（3.4eV）

p~1×1018cm-3

p-Al0.6Ga0.4N（5.0eV）

p~1×1016cm-3

p-Al0.2Ga0.8N（3.8eV）

p~1×1017cm-3

p-Al0.8Ga0.2N（5.5eV）

p~1×1015cm-3

Al0.4Ga0.6N
量⼦井⼾（（4.6eV）
）

GaInN
量⼦井⼾
（（2.6eV））
n-GaN

サファイア基板短波⻑化に伴い全層で約2eVの増⼤

n-Al0.8Ga0.2N
AlN
サファイア基板⇒正孔濃度2桁低下⇒活性層に正孔が注⼊できず、効率低下

背景 p型 Ga 層の状況
背景：p型AlGaN層の状況
Eg（バンドギャップ）：3.4eV
EA（イオン化エネルギ（イオン化エネルギー）） ：150meVNA（アクセプタ濃度）：3×1019cm-3

1E+20電荷濃度（（cm-3）

1E+20正電荷

1E 19
1E+191E+18

電荷中性条件

1E+17
1E+16
1E+15

p=7×1017cm-3

1E+14

イオ 化率
イオン化率：2%

1E+17
1E+16
1E+15
1E+14
1E+13

1E+12

1E+1201
0.102
0.203
0.304
0.405
0.5

E F  EV)kT

p=8×1015cm-3

イオン化率：0.03%

0フェルミ準位（eV）●正電荷：p  NV exp(負電荷

電荷中性条件

1E+18

1E+130正電荷

1E 19
1E+19負電荷

Eg：5.0eV
EA：420meVNA：3×1019cm-3

p-Al0.6Ga0.4N

電荷濃度（（cm-3）

p-GaN

01
0.1020.203
0.3040.405
0.5

フェルミ準位（eV）

●負電荷： N A NAE  EF
1  4 exp( A)kT

電荷中性条件：
正電荷＝負電荷背景：巨大分極の発生
背景
巨大分極の発生

6AlGaN/AlN構造
基板側(000 1 ) AlN

エピ表⾯側
ピ表⾯側++ (0001)+AlxGa1-xN
AlN

中⼼対称性の⽋如と組成差により⾃発・ピエゾ分極が界⾯に発⽣
⾃発
ピエゾ分極が界⾯に発⽣
表⾯に向かうに従い、・低Al組成側に分極負電荷・⾼Al組成側に分極正電荷
⾼ 組成側 分極正電荷（必ず正負対で誘起）

例えば、AlNモル分率差50％
例えば
AlNモル分率差50％・強誘電体並みの⼤きさ・3×1013cm-2の⾯積電荷濃度
1018〜1019cm-3の体積濃度に相当（10〜100nm分布を仮定）
ただし これら電荷は動けない
ただし、これら電荷は動けない背景 分極ド ピング
背景：分極ドーピング●動かない分極電荷に逆符号のキャリア蓄積●組成傾斜層により層状キャリア蓄積

正孔
分極負電荷
分極正電荷電⼦

不純物ドーピング必要なし+++++-----

縦⽅向伝導も可能に

従来の不純物ドーピングに変わる、新しい⼿法の提案●深紫外LED実現に必要な●深紫外LED実現に必要な、・⾼Al組成AlGaN（0.6以上）での実証ほとんどなし
・不純物ドーピングとの相互作⽤の詳細検討なし

本研究の目的と内容
 巨⼤分極電荷を利⽤したドーピング（分極ドーピング）の理論検討
 不純物ドーピングと分極ドーピングの相互作⽤

 ⾼AlNモル分率AlGaNにおける分極ドーピングの有⽤性実証
 分極ドープ⾼Al組成AlGaNのキャリア濃度実測
分極ド プ⾼Al組成AlGaNのキャリア濃度実測
 深紫外LEDへの適⽤ 「分極電荷エンジニアリング」による新素⼦構造
 分極電荷によるポテンシャルエンジニアリングによる新素⼦構造設計

理論検討：分極ドーピング
理論検討：分極ドピング

9 不純物ドーピングと分極ドーピングの相互作⽤の詳細検討必要
不純物ド ピングと分極ド ピング 相互作⽤ 詳細検討必要 不純物と分極の組み合わせで効果ありと報告あるが？
 分極は必ず正負対で発⽣、相反する場合の検討がない

 ⼆つの場合に分けて検討 同じ⽬的（ともに正孔⽣成）の場合
 Mgアクセプタ（負）と分極負電荷の組み合わせ（効果は？）
 相反してしまう場合
 Mgアクセプタ（負）と分極正電荷（電⼦⽣成）の組み合わせ（打ち消す？）

理論検討：Mgアクセプタと分極負電荷（同じ目的）
分極負電荷濃度（NP-)依存性

Mg濃度依存性

Mg濃度⼀定:3×1019

NP－⼀定：1×1019cm-3

1E+201×1018

1E+181×1017

1E+17

1E+15

1E+19
電荷濃度（cm-3）

電荷濃度（cm-3）

1E+19

1E 16
1E+161E+20NP－=1×1019cm-30cm-3
負電荷

正電荷

NA－+NP－

1E+14p

1E+180.4

フェルミ準位（eV）

0.5p

1E+141E+120.3

正電荷

1E+15

1E+120.2

NA－+NP－

3×101701E 161E+161E+130.1

負電荷

3×1018

1E+171E+130Mg:3×10
3 019

00.1

0.20.30.40.5

フェルミ準位（eV）

・⾼正孔濃度（10⾼正孔濃度（1019cm-3）が蓄積する
・Mgイオン化せず（1013cm-3）、正孔⽣成できない（効果なし）

理論検討：Mgアクセプタと分極正電荷（相反）分極正電荷濃度（NP+)依存性

Mg濃度依存性

Mg濃度⼀定:3×1019

NP+⼀定：1×1019cm-31E+20P

1E+19
1E+181×1017

1E+17
1E 161E+16
負電荷

1E+150cm-3

NA－1E+14

正電荷

1E+1300.10.20.30.4

フェルミ準位（eV）

3×10193×1018NA－

1E+18p

1E+173×1017

1E 161E+16
1E+15
1E+14
1E+13p+NP+

1E+12

正電荷 p+NP+

1E+191×1018

電荷濃度（cm-3）

電荷濃度（（cm-3）

1E+20

N +=1×1019cm-3

Mg:3×1020

1E+120.5

00.10.2

0.30.4

フェルミ準位（eV）

・極めて⾼いMgイオン濃度（10極めて⾼いMgイオン濃度（1019cm-3）、多くの正孔⽣成
・極めて低い正孔濃度（1013cm-3）しか蓄積しない

0.5

理論検討：不純物ド プと分極ド プの関係
理論検討：不純物ドープと分極ドープの関係
分極正電荷

分極負電荷

不純物ドープ
不純物ドプ

必須（＞分極電荷）

必要なし

イオン化不純物（負）⾼（＝分極濃度）

極めて低い

正孔濃度（正）極めて低い

⾼（＝分極濃度）⾼（分極濃度）

p型形成

正孔が移動

n型形成
不純物ドープ

必要なし

必須（＞分極電荷）

イオン化不純物（正）極めて低い

⾼（＝分極濃度）

電⼦濃度（負）⾼（＝分極濃度）

極めて低い

電⼦が移動

結局、分極は不純物イオン化エネルギーの⼤⼩に関係なく、そのイオン化率を⾼くできる

有用性実証：AlNテンプレ ト上AlGaN
有用性実証：AlNテンプレート上AlGaN
⾼Al組成AlGaN/AlN テロ構造：界⾯分極負電荷 の⾼濃度正孔蓄積の検証
⾼Al組成AlGaN/AlNヘテロ構造：界⾯分極負電荷への⾼濃度正孔蓄積の検証
試料構造

ホール測定によるキャリア濃度評価
p型伝導正孔蓄積

Al組成差の増⼤Mg添加GaN

Al組成：0.23〜0.8理論で予想されるオーダ（〜1013cm-2）の正孔濃度を実証
・温度依存性なし：イオン化エネルギーに依存しない
温度依存性なし イオ 化 ネルギ に依存しな

有用性実証：AlNテンプレ ト上組成傾斜AlGaN
有用性実証：AlNテンプレート上組成傾斜AlGaN
深紫外LED⽤組成傾斜AlGaN構造：層状分極負電荷への⾼濃度正孔蓄積の検証
深紫外LED⽤組成傾斜AlGaN構造：層状分極負電荷の⾼濃度正孔蓄積の検証⇒三次元的にキャリアが分布し、縦伝導が期待
試料構造
正孔蓄積

ホール測定によるキャリア濃度評価

n型伝導

3次元的に分布ところが予想に反し、n型伝導を観測
ところが予想に反しn型伝導を観測⇒電⼦が蓄積してしまっている！

有用性実証:格子緩和の重要性②Al0.2Ga0.8NからGaNまで
次第に完全歪①Al0.2Ga0.8Nまで
ほぼ完全歪

逆格⼦マッピングによる格⼦定数評価
1/垂垂直格⼦定数数

試料構造と格⼦緩和

AlN
Al0.65Ga0.35N
Al0.2Ga
G 0.8NGaN

1/⾯内格⼦定数

組成傾斜AlGaN（0.65⇒0）において、以下の⼆つの部分が形成①0.65①065〜00.2まで：ほぼ等しい⾯内格⼦定数、すなわちほぼ完全歪2まで：ほぼ等しい⾯内格⼦定数、すなわちほぼ完全歪②0.2〜0まで：次第にGaNの⾯内格⼦定数へ、すなわち次第に完全緩和

有用性実証:格子緩和の重要性
前ページのような格⼦緩和がある場合の分極電荷の発⽣（理論計算）
絶対分極密度実効分極濃度
次第に完全緩和 正電荷
次第に完全緩和：正電荷

完全歪：負電荷

傾きが逆！

次第に完全緩和GaN

Al0.2Ga0.7N

完全歪
Al0.65Ga0.35N「次第に格⼦緩和」という状況が逆符号である正の分極電荷を誘発：
これにより 正孔ではなく電⼦が蓄積してしまう！
これにより、正孔ではなく電⼦が蓄積してしまう！
⇒この領域にMgを添加すれば、p型にはできる、全体で1018cm-3の正孔濃度を実現

有用性実証：深紫外LED の適用
有用性実証：深紫外LEDへの適用
分極ドープ構造P GaN (150nm)
P-GaN

p-graded-AlxGa1-xN(x:0.8-0) (150nm)

p-Al0.8Ga0.2N(20nm)

p-Al0.8Ga0.2N(20nm)

AlGaN/AlGaN
3QW
3QWs

AlGaN/AlGaN
3QW
3QWs

n-Al0.7Ga0.3N (1μm)

n-Al0.7Ga0.3N (1μm)

nn-graded-Al
graded AlxGa1-xN(x:1-0.7) (1μm)

n-graded-Alngraded AlxGa1-xN(x:1-0.7) (1μm)

AlN(2μm)

AlN(2μm)

sapphire

sapphire
組成傾斜分極ドープ

光出⼒、すなわち注⼊効率の改善を実証

0.014
0.012

― 従来構造― 分極ドープ構造0.01000080.008
0.006
0.004
0.002
0.000
01020304050

Current [mA]I-V特性
1412Voltage [VV]従来構造

Liight output ppower [a.u.]

I-L特性

深紫外LED構造108― 従来構造― 分極ドープ構造

64200102030

Current [mA]4050

新素子構造：分極ド プの有効活用
新素子構造：分極ドープの有効活用
これまで、分極ドープを不純物ドープの単なる置き換えとして検討
分極の特徴を積極的に活かして利⽤するためには？
「分極「分極ドープ」を「不純物ドープ」と⽐較すると、、、
プ「 純物プ較
メリット
・とにかく⼤きな分極電荷濃度により、⾼濃度キャリア蓄積
とにかく⼤きな分極電荷濃度により ⾼濃度キ リア蓄積・不純物が必要ないので結晶性の劣化なし
デメリット
・必ず両⽅の電荷が誘起してしまう
・⾯⽅位と組成差⽅向により⽣成するキャリアの符号が確定（低い⾃由度）新素子構造：分極ド プの有効活用
新素子構造：分極ドープの有効活用
これまで、分極ドープを不純物ドープの単なる置き換えとして検討
分極の特徴を積極的に活かして利⽤するためには？
「分極「分極ドープ」を「不純物ドープ」と⽐較すると、、、
プ
「 純物プ
較
メリット
・とにかく⼤きな分極電荷濃度により、⾼濃度キャリア蓄積
とにかく⼤きな分極電荷濃度により ⾼濃度キ リア蓄積・不純物が必要ないので結晶性の劣化なし
デメリット
・必ず両⽅の電荷が誘起してしまう
・⾯⽅位と組成差⽅向により⽣成するキャリアの符号が確定（低い⾃由度）
新しい⽅針
・活性層内で積極使⽤（低い正孔注⼊の改善）
既存のpn接合配置に分極電荷も整合する配置
・既存のpn接合配置に分極電荷も整合する配置
・（従来の設計思想を棚上げし）分極を優先した設計

新素子構造：分極ド プの有効活用
新素子構造：分極ドープの有効活用
従来 バンドギャップ重視
バンドギ
プ重視

新構造 分極電荷重視0.80.4電⼦流n-Al0.7Ga0.3N

Al組成

Al組成

正分極：電⼦が蓄積

p-Al0.8Ga0.2N

0.8080.70.50.4

負分極：正孔が蓄積

電⼦流++++

n-Al0.8Ga0.2N- - - - p-Al

0.5Ga0.5N

p側にワイドバンドギャップを使⽤（従来からの設計思想）

バンドギャップよりも分極電荷を優先（分極電荷の適材適所）

・p-AlGaNの不⼗分な正孔活性層に分極負電荷（正孔蓄積）
n層に分極正電荷（電⼦蓄積）

組成傾斜層を利⽤しても・⼤きな分極正電荷が存在〇分極電荷の有効活⽤による注⼊効果改善
×狭いバンドギャップによる注⼊効率低下（トレ ドオフ）（トレードオフ）

シミュレータによる理論計算を遂⾏

新素子構造：分極ド プの有効活用
新素子構造：分極ドープの有効活用
活性層周辺の伝導帯プロファイル

0-0.5-11500meVも上昇従来-1.5708090100110

距離（nm）

0.4

活性層周辺の電⼦濃度

00

従来

1E+17
1E+15

1e18から1e13以下に減少

1E+13
1E+11708090

新構造

100

従来

0.6

0.2

1E+19

新構造

0.8

電⼦に対する⼤きな障壁形成

1E+21

活性層への注⼊効率

1

新構造

注⼊効率
率

エネルギ
ギー（eV）

0.5110

距離（nm）
上記の⼤きな障壁により、電⼦のオーバーフロー（漏れ）が⼤幅抑制

200

400

600

800

電流密度（A/cm2）pp層バンドギャップは0.8eV減少
⼀⽅、障壁としては0.5eV上昇⇒分極負電荷の効果はバンドギャップよりも⼤⇒分極電荷によるポテンシャル制御

まとめ 理論検討：p型AlGaNへの分極ドーピング
 ⾼正孔濃度を実現、分極正電荷がイオン化率を⾼めていると解釈可
⾼正孔濃度を実現 分極正電荷がイオン化率を⾼めていると解釈可 有⽤性実証：AlN上⾼Al組成AlGaN
 〜1018cm-33を実証、ただし格⼦緩和に注意（符号反転の可能性）を実証 ただし格⼦緩和に注意（符号反転 可能性）

 新素⼦構造：分極の有効活⽤
 「分極電荷」重視のポテンシャルエンジニアリングが有効である可能性
グ「分極電荷エンジニアリング」により、「分極電荷グより安⼼・安全社会を構築する、窒化物半導体光デバイスの実現

謝辞 平成25年度⽇本板硝⼦材料⼯学助成会
 平成26~28年度科研費

基盤研究B

 平成27~28年度科研費

挑戦的萌芽