ワイドバンドギャップ半導体のバンドギャップ測定

スペクトル解析ソフトウエアSCOUTを使えば，薄膜の膜厚測定だけではなく，光学定数（屈折率，消衰係数）測定から光学バンドギャップを求めることができます．ここでは，文献 [1] で行ったα-(Al_xGa_1-x)₂O₃の光学バンドギャップ測定法について解説します.

[1] G. T. Dang, T. Yasuoka, Y. Tagashira, T. Tadokoro, W. Theiss, and T. Kawaharamura: "Bandgap engineering of α-(Al_xGa_1-x)₂O₃ by a mist chemical vapor deposition two- chamber system and verification of Vegard's Law", Appl. Phys. Lett. 113, 062102 (2018).

測定サンプル：サファイア基板上のα-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜

近年，電気自動車，電気通信，蓄電池に用いられる省電力デバイスの需要が高まりから，SiC，GaN，ダイヤモンド，Ga₂O₃などのワイドバンドギャップ材料の高効率化が進められており，中でもGa₂O₃が大きな注目を集めています．
ここでは，α-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜をサファイア基板（Al₂O₃）上に成長させ，その物性評価を行った文献 [1] の光学バンドギャップ測定法について解説します．

文献 [1] では，成膜に第3世代ミストCVDシステム（FCM反応炉と2つ以上の噴霧器およびミスト混合器を組み合わせた成膜システム）を使い，AlチャンバーおよびGaチャンバーのキャリアガス流量をコントロールすることでバンドギャップを制御しました．図1に，製作したα-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜サンプル：S1 ～ S6のサンプル成膜時におけるAlチャンバーおよびGaチャンバーのキャリアガス流量を示します． AlチャンバーおよびGaチャンバーのキャリアガス流量制御によって，6水準のバンドギャップ値を持つサンプルバリエーションを作製しました．

図1　α-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜サンプルと各サンプルのキャリアガス流量条件

以降，サンプル名をS1 ～ S6と表すことにします．

透過率スペクトル測定とスペクトル解析

ワイドバンドギャップ材料のバンドギャップを求めるには，真空紫外領域におけるスペクトル測定が必要になります．文献 [1] では，図2に示すイオン化エネルギー測定装置 BIP-K201（分光計器製）を使い，真空紫外領域（波長範囲：130 ～ 290nm）における透過率スペクトルを測定しました．

図2　イオン化エネルギー測定装置 BIP-K201

BIP-KV201は，本来，半導体材料などのイオン化エネルギー(イオン化ポテンシャル）や仕事関数を測定することを目的とする装置で，透過率測定は付加的な機能です．文献 [1] の測定に使用した高知工科大学のBIP-K201は，透過率測定の機能を搭載した特殊仕様になっています．

もし，真空紫外領域の透過率スペクトル測定を主目的にするならば，図3に示す卓上型真空紫外分光光度計　KV-202（分光計器製）を選択するのが良いでしょう．

図3　卓上型真空紫外分光光度計　KV-202

スペクトルの解析には，スペクトル解析ソフトウエア　SCOUTを用いました． BIP-K201を使って測定した真空紫外領域（波長範囲：130 ～ 290nm）における透過率スペクトルに対して，光学モデルから計算されたシミュレーションスペクトルのフィッティング解析を行うことで，薄膜の膜厚，光学定数などを求めることができます．

本測定解析では，まず，サファイア基板の透過率スペクトル測定結果のフィッティング解析から，サファイア基板の光学定数を求め，サファイア基板の光学定数を固定して，α-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜の膜厚および光学定数を求めました．
基板およびα-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜の誘電関数（光学定数）は，次の電気感受率の和としてモデル化しました．

【サファイア基板の誘電関数】
・背景誘電率
・観測波長範囲より短波長側の電子分極吸収： Lorentz振動子
・バンドギャップ付近の非対称な吸収： OJLモデル [2]
・局所的な吸収： Kim振動子モデル [3] × 2

【α-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜の誘電関数】
・背景誘電率
・観測波長範囲より短波長側の電子分極吸収： Lorentz振動子
・バンドギャップ付近の非対称な吸収： OJLモデル
・局所的な吸収： Kim振動子モデル × 6

[2] S.K.O'Leary, S.R.Johnson, P.K.Lim, J.Appl. Phys. Vol. 82, No. 7 (1997) pp. 3334-3340.
[3] C.C. Kim, J.W. Garland, H. Abad, P.M. Raccah, Phys. Rev. B 45 (20) (1992) 11749-11767.

サファイア基板およびα-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜の光学バンドギャップ（いわゆるTaucギャップ）は，バンド端付近におけるスペクトル形状記述するOJLモデルのGap energy収束値として得られます．

スペクトル解析ソフトウエア SCOUTについては下記製品紹介ページを，スペクトルフィッティング解析，誘電関数の概要については「徒然「光」基礎講座｜膜厚測定・干渉分光法とは」をご参照ください．

» 膜厚測定製品：スペクトル解析ソフトウエア　SCOUT 詳細を見る

サファイア基板の光学定数決定

サンプル薄膜の測定解析に先立ち，まず，サファイア基板の透過率スペクトル測定を行い，スペクトルフィッティング解析により真空紫外領域におけるサファイアの光学定数（屈折率，消衰係数）を決定しました．
図4にサファイア基板の透過率スペクトル／ABSスペクトルとそのフィッティング結果を示します．透過率の低い波長領域についても精度良くフィッティングをするために，透過率スペクトルとABSスペクトルの同時解析を行っています．

図4　サファイア基板の透過率スペクトル／ABSスペクトルとそのフィッティング結果

図4の解析によって得られたサファイア基板の光学定数を図5に示します．

図5　サファイア基板の透過率スペクトル／ABSスペクトルとそのフィッティング結果

解析によって得られたサファイア基板のバンドギャップは，8.60eVです．

以下に示すα-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜のスペクトルフィッティング解析では，図5でえられたサファイア基板の光学定数を固定しています．

α-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜の透過率スペクトル測定とそのフィッティング解析

α-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜サンプル：S1 ～ S6の透過率スペクトル測定結果を図6に示します．

図6　α-(Al_xGa_1-x)₂O₃薄膜サンプル：S1 ～ S6の透過率スペクトル測定結果

第3世代ミストCVDシステムのキャリアガス流量コントロールによって，バンドギャップが期待通りに制御されています．

以下，S1 ～ S6各サンプルの透過率スペクトル／ABSスペクトルとそのフィッティング結果を示します．透過率の低い波長領域についても精度良くフィッティングを行うために，透過率スペクトルとABSスペクトルの同時解析を行いました．
なお，波長180nm付近に分光器のフィルター切換に起因する段差が発生するため，白背景でシェードした波長181.5nm±4nmの領域をフィッティングから除外しています．