Shizuoka University

多光子励起過程による半導体材料の3次元観察

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目的

本研究の目的は、多光子励起過程を利用し、青色半導体レーザーの材料となるワイドギャップ半導体の欠陥を3次元的に観察することである。

ZnSeやGaNなどの大きなバンドギャップを持つ半導体材料は、青色半導体レーザーの材料としての応用が期待されている。すでにGaN材料を用いたLED、LDが実用化されている。半導体レーザーにおいて、高出力、長寿命、高い出力安定性を実現するためには、内部欠陥の少ない良質の結晶を作製する技術が不可欠であり、結晶内部の欠陥を非破壊で観察する方法の開発が必要である。そこで私たちは、半導体結晶の観察に2光子励起過程を利用した。

原理

半導体結晶に対し、2光子励起を用いる利点を説明する。半導体のエネルギー帯図を簡単に表したのが図1である。バンドギャップより大きいエネルギーの光を照射すると、電子は価電子帯から伝導帯へ励起される。そして電子が再び価電子帯へ戻るとき、バンドギャップに相当するエネルギーのフォトルミネッセンスが測定される。このことからフォトルミネッセンスを測定することで、バンドギャップが分かり、バンドギャップから欠陥かどうか判断できる。電子を荷電子帯から伝導帯に励起するには、バンドギャップエネルギーより大きいエネルギーを持つ光を用いなければならない。1光子励起の場合、吸収の大きい短波長の光を用いなければならない。2光子励起の場合、 1つの電子は2つの光子を吸収して励起されるので、吸収の小さい長波長の光を用いることができる。

1光子励起の場合、短波長の光は吸収が大きく、結晶の表面付近で反応が起きてしまい、結晶の内部まで光が届かない。2光子励起の場合、光強度が十分高い部分でしか反応が起こらないため、焦点付近でのみ反応が起こる。このため、結晶の表面付近では吸収が起きず、内部まで光が届き、内部の観察ができる。そして、焦点を3次元的に走査することによって、3次元観察が可能となる。

結果

ZnSe多結晶の内部を3次元的に観察した結果を示す。一番左の図は試料表面から10μmの深さの結晶を観察した図である。そこから光軸方向に2μm間隔で結晶を観察した。面内の走査間隔は0.5μm、走査点を128点×128点である。結晶粒界や欠陥を観察できていることが分かる。試料表面付近では画像中央付近に欠陥があるが、内部に行くに従ってこの欠陥は徐々に小さくなっている。そして内部ではまた中央少し上に欠陥を観察できている。

この結果より、2光子励起を用いることで3次元観察が可能であるということが分かる。