7.1 INTRODUCTION

III nitride wide bandgap semiconductorは技術的に重要な物質として広く認識されている。 III 窒化物をベースにしたフォトニックデバイスは、紫外/青/緑色発光（化学・生物試薬の検出やより高い光ストレージ密度を実現）、InN/GaN/AlN ヘテロ構造の大きなバンドオフセット（新しい量子井戸デバイス設計を可能に）、および本質的に高い発光効率などの多くの利点を提供します。 これらのユニークな特徴により、これまでにない特性や機能を持つ光電子・フォトニックデバイスの創製が可能になると期待される。 AlNモル分率の高いAlxGa1-xN (3.4 < Eg < 6.2 eV) と紫外線 (UV) スペクトル領域で動作するデバイスに関する研究活動は、まだ萌芽期にあると言えるでしょう。 300 ～ 200 nm の波長をカバーする AlN および Al-rich AlGaN 合金は、AlGaN が合金とヘテロ構造の設計によってバンドギャップを容易に設計できる唯一の超ワイドバンド ギャップ半導体システムであるため、チップスケールの紫外線光源/センサの開発にとって理想的な材料となります。 効率的な固体紫外光源／センサーは、多くの研究開発分野において極めて重要である。 例えば、タンパク質の蛍光は一般に紫外線によって励起される。タンパク質の固有蛍光の変化をモニターすることで、その構造変化に関する重要な情報を得ることができる。 このように、チップスケールの紫外線光源が利用できるようになると、医学研究やヘルスケアに新たな可能性が開けると期待されています。 また、固体紫外線光源は、水質浄化、機器・人員の除染、白色光発生などの用途にも応用されています。 AlGaN 合金において、転位密度や意図しない不純物の低減、表面形状の改善など、材料品質をさらに向上させ、ドーピング効率やデバイス性能を高めるための新しいアプローチの開発が急務となっています。 AlGaN 合金系（特に Al-rich AlGaN 合金）の完全な理解は、二元的な AlN 材料がよく理解される前に達成されることはなかった。 また、AlNは、これほど大きな直接バンドギャップと、ヘテロ構造を用いたバンドギャップ工学を併せ持つ半導体として、他に類を見ない存在である。 しかし、AlNの重要性が認識されているにもかかわらず、高品質材料の不足や深紫外（200 nm以下）の光計測の技術的困難さから、その基本的な発光特性の多くはこれまでよく知られていませんでした。 近年、AlNエピ層のエピタキシャル成長、基礎物性の理解、デバイス応用において急速な進展が見られる。 本章では、高Al含有AlNおよびAlGaNエピタキシャル膜の基本光学特性、基本不純物パラメータ、導電性制御に重点を置いて、これらの最近の進歩について簡単に要約することを目的とする。

第7章では、エピタキシー成長および高品質膜を識別する技術、たとえば表面形状を調べる原子間力顕微鏡（AFM）や酸素などの非意図的不純物を調べるためのSIMSについて説明する。 7.3 節では、AlN の基本的な光学特性の理解における最近の進歩を紹介する。 ウルツ鉱型（WZ）AlNのΓ点近傍の詳細なバンド構造について紹介する。 AlNのユニークなバンド構造、すなわち負の結晶場分裂は、AlGaN合金、特にAlを多く含むAlGaN合金の光学特性に大きな影響を与える。 その結果、GaN (AlN)のバンド端発光は、E⊥c (E||c) の偏光で支配的になります。 したがって、AlxGa1-xN合金の発光強度は、c面サファイア上に成長したエピ層では、xの増加とともに減少する。 AlNエピ層における結合励起子(I2)と自由励起子(FX)遷移の再結合ダイナミクスを深紫外時間分解フォトルミネッセンス(PL)によって調べた。 その結果、10KでのPL減衰寿命は束縛励起子で約80ps、自由励起子で50psであり、GaNよりもわずかに短いことがわかった。 これは AlN の大きなエネルギーバンドギャップの直接的な結果である。 AlNエピ層の放射壊変寿命は、100-200KではT3/2に従って温度とともに増加し、200K以上では自由励起子の解離の影響を受け、GaNと同じ傾向を示す。 低温（10K）での発光スペクトル、再結合寿命の温度依存性、PL発光強度の活性化エネルギーから、AlN中のドナー結合励起子および自由励起子の結合エネルギーはそれぞれ約16および80meVであると推論される。 観測された大きな自由励起子結合エネルギーは、AlN中の励起子が室温以上でも十分に生存できる極めて頑健な存在であることを示唆している。 イオン注入時に生成した窒素空孔と成長途中のAl空孔および/または錯体を含む不純物遷移を研究した。 その結果、VAlおよび/またはVAl-ON錯体はAlNの価電子帯より2.59eV高いエネルギー準位を持つ深いアクセプターであり、これはAlNおよびAlGaNエピ層を用いた光電子デバイスに有害であることが示された。 実験的に決定された窒素空孔のエネルギー準位は約260meVである。 活性化エネルギーが大きく (0.26 eV)、形成エネルギーも高いため、AlN の VN は n 型伝導に大きく寄与できない。

最近のエピタキシャル成長の進歩により、高 Al 含有量 (x ≥ 0.7) の n 型 AlxGa1-xN 合金が得られてきている。 7.4節では、高Al含有AlGaN合金およびAlNの導電性制御と、これらの材料における不純物パラメータの理解に関する最近の進歩についてまとめている。 Al0.7Ga0.3N において、電子濃度 3.3 × 1019 cm-3、移動度 25 cm2/V s で 0.0075 Ω cm という低い室温 n 型抵抗が得られてい る。 Al含有量が8%程度増加すると抵抗率がほぼ1桁増加することが観測されたが、これはxの増加とともにSiドナー準位が深くなるためである。輸送測定から、純AlNでn型伝導が達成できることが示された。 Alが豊富なAlGaN合金において、ドナーの活性化エネルギーを下げ、より高い導電性を得るためには、高濃度のドーピングが必要であることがわかった。 AlxGa1-xN合金におけるMgアクセプタのイオン化エネルギーをxの関数として測定し、そこからAlN中のMgアクセプタの結合エネルギー0.51eVが決定された。 この超大バンドギャップ半導体ではMgアクセプタが有効質量状態であるが、この0.51eVという大きなアクセプタ結合エネルギーの結果として、MgドープAlNでは室温でごく一部（約10-9）しか活性化できず、Mgドープによるp型AlNの実現が極めて困難であることが示唆された。 これには、紫外線および深紫外線エミッタへのAlNエピ層の挿入、活性層または転位フィルタとして機能することが含まれる。 高品質のAlNエピ層は200 nmまで紫外光を透過し、AlGaN合金よりも優れた表面形状で成長できるため、その後の紫外光デバイス構造成長のための理想的なテンプレートとなる。 また、表面弾性波（SAW）や電子放出デバイスなど、他のタイプのアクティブデバイスへのAlNエピ層の応用についても議論した。

第7.6節では、今後の展望と残された課題に焦点を当てて、結論を述べる。