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非極性面と半極性面
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HVPE法とアモノサーマル法
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ピエゾ電界を弱めて効率向上


 ピエゾ電界とは、結晶構造の歪みによって生じた圧電分極によって発生する電界である。InGaNなどGaN系半導体を発光層にしている青色LEDや緑色LEDの外部量子効率を低下させる一因となる。LEDにとどまらず、青紫色半導体レーザーの消費電力低減技術、さらには緑色半導体レーザーを実現する技術としても注目を集めている。

 例えば、InGaN系LEDの市販品では、GaN結晶の極性面であるc面(0001)を成長面とし、その法線方向(c軸)を成長軸としてInGaN層などを積層している。その際、成長軸であるc軸方向にピエゾ電界が生じてしまう。このことが原因となって発光層に注入される電子と正孔が離れ、発光に寄与する再結合確率が低下する。そのため内部量子効率が低くなり、外部量子効率の低下につながる。

 c軸方向にピエゾ電界が生じるのは、InGaN層の結晶構造が歪んで圧電分極が生じるためである。InGaN層を構成するInNとGaNのa軸方向の格子定数に差があることが原因だ。圧電分極のほか、InGaN層には結晶構造上、自発分極も生じる。ただし圧電分極のほうが大きいため、自発分極による電界はピエゾ電界に比べて非常に小さい。

  ピエゾ電界はc軸方向に沿って発生するので、InGaN層の成長軸をc軸方向から傾いた方向に設定すれば、成長軸方向へ及ぼすピエゾ電界の影響を弱められ、外部量子効率の向上につながる。そこで、GaN結晶のc面に垂直なa面やm面と呼ばれる非極性面、あるいはc面に対して傾いた半極性面と呼ばれる面を成長面とし、それぞれの面の法線方向を成長軸としてInGaN系LEDを作る研究が行われてきた。