光音響・発光同時計測法と積分球法による InGaN 量子井戸の内部・外部量子効率推定

Abstract

窒化物半導体の電子状態やキャリアダイナミクスの包括的な理解の為には、内部量子効率(IQE: Internal Quantum Efficiency)の正確な測定が必要である。我々は、これまでに、光音響(PA: Photoacoustic)・発光(PL : Photoluminescence)同時計測法により、GaN膜とInGaN量子井戸(QW: Quantum Well)のIQE推定し、妥当な結果を得ている。しかしながら、試料からのPLが試料内で再吸収され、その励起キャリアにより非輻射再結合が生じた場合に、その際の発熱をPA測定によって検出してしまうと、「発光」とカウントされるべきものが「発熱」にカウントされることになり、IQEが低く推定される可能性がある。この効果が顕著に現れると、IQEを測っているつもりが、外部量子効率(EQE: External Quantum Efficiency)を測ることになってしまう。本研究では、この現象の有無を実験的に確認するため、同一のInGaN-QW試料においてIQEとEQEの両方を測定し、これらの値を比較してIQE推定の妥当性を検討した。IQEは、PA・PL同時計測法で測定し、EQEは積分球を使用して推定した。測定した試料は3枚のGaN基板上InGaN-QW試料(480nm発光)と3枚のサファイア基板上InGaN-QW(520nm発光)である。励起光の波長は405nmであり、QW 層のみを選択的に励起している。図2に示すように、IQEは、GaN 基板上QWで30~40%と推定され、サファイア基板上QWでは4~7%と推定された（図には同じ試料に対して複数回測定した結果がすべてプロットしてある）。一方で、EQEは、GaN基板上QWで10~20%であり、サファイア基板上QWで1~2%だった。全ての試料で、IQEはEQEよりも高く、これらのデータから算出された光取り出し効率は、20~40%であり、妥当な結果であると考えられる。IQEとPL強度の線形関係は必ずしも成り立たっていないが、EQEとPL強度には、全ての試料で線形関係があり(Fig.2)、PA/PL同時測定法で見積もられたIQEの値が妥当であることを示唆している。