ブックタイトル日本結晶学会誌Vol57No5

概要

日本結晶学会誌Vol57No5

日本結晶学会誌 第57巻 第5号（2015） 263日本結晶学会誌 57，263-268（2015）産業界で活躍する結晶学（7）1．はじめに2014年のノーベル物理学賞は，「高輝度・低消費電力白色光源を可能とした高効率青色LEDの発明」に対して，赤﨑勇先生，天野浩先生，中村修二先生が受賞された．青色LED用半導体材料であるGaNは室温においてバンドギャップが約3.4 eVで，堅牢かつ化学的にも安定であることから，青色，紫色域のLEDや半導体レーザーに応用されている．青色LEDは高輝度，低消費電力，長寿命などの優れた性能により，液晶バックライトや照明器具などに革命をもたらした．また，窒化物半導体は高速，高耐圧，低消費電力のパワー半導体としても環境技術の主役として，家電，自動車，電車，電力網などへの応用が期待されており，現在世界中で精力的に開発が行われている．本稿では，このGaNの研究開発の初期から問題であったGaNの極性判別について述べる．GaN薄膜の成長はその手法や微妙な条件の違いによって，その極性も変わると予想される．そこで極性判別にはこれまでに収束電子線回折，1），2）ケミカルエッチング，3）イオンチャンネリング，2）X線定在波法4），5）など，さまざまな方法が試みられている．最近では，光電子回折法による方法も報告されている．6）A. R. Smithら7），8）はGaNの表面再構成構造に基づいて極性判別を行っている．なお，表面再構成構造についてはその後の研究で不純物の影響についても論じられている．9）一般的にX線回折ではフリーデルの法則のために，中心対称性のない結晶についてX線回折実験を行っても表裏で回折強度に違いは現れないが，入射X線の波長が構成原子の吸収端の波長に近いときには異常分散効果10），11）が現れ，極性結晶の裏面と表面からの回折強度に違いが生じ，極性を判別できる．この異常分散効果を利用し極性判別を初めて行ったのは西川ら12）で，ZnS結晶の極性を判別した．本研究ではこの極性判別法をGaNについて行った．13）2．異常分散効果を利用した結晶の極性判別異常分散はX線の振動数が原子の吸収端の振動数に近いときに起こり，屈折率や散乱能が大きく変化する．このような現象は共鳴効果によるもので，それに伴う散乱が異常散乱である．異常分散を扱うとき，原子散乱因子はf＝ f 0 ＋ f ’ ＋ if ” （1）の形の複素数になる．（1）式においてf ’ ＋ if ” は異常分散項と呼ばれる．図1に示すように異常分散項の実数部f ’は共鳴波長付近で明確な波長依存性を示し，虚数部f ”は波長が吸収端の長波長側と短波長側で大きく異なっている．なお，本研究では異常分散項f ’，f ”の値は参考文献14）の値を採用した．フリーデルの法則によると極性結晶について回折実験を行っても，回折現象自身は常に結晶が対称中心をもつように現れる．しかし，X線の散乱に際して原子の位置に関係する以外の位相差が原子についてそれぞれ固有に生ずるときはフリーデルの法則が破れる．具体的には異常分散効果が生じ，原子散乱因子が（1）式のような異常分散X 線回折を利用したGaN 結晶の極性評価日本女子大学理学部　秋本晃一Koichi AKIMOTO: Polarity Determination of GaN Thin Filmsby Anomalous X-Ray DiffractionRecently, the wide bandgap semiconductor GaN and its alloys havebeen interested because of their superb properties for the fabrication ofblue- or ultraviolet-light emitting devices. There is much interest in growthmechanism and the reduction of defects. The reported crystallographicstructure of the GaN film is usually wurtzite or zinc blend type. Becausethe most common growth direction of the GaN film is normal to the {0001}plane of the wurtzite structure, it is very important to determine the polarityof the film. We determined the polarity of the GaN thin films grown onsapphire substrates by using anomalous X-ray diffraction techniques.