酸化ガリウムにおける高電界光吸収(Franz-Keldysh効果)に関する論文がApplied Physics Expressに採択されました

採択された論文:
T. Maeda, K. Ema, K. Sasaki,
"Franz-Keldysh effect in β-Ga2O3 Schottky barrier diode under high reverse bias voltage",
Applied Physics Express 17, 124001 (2024).

論文の解説:
半導体に高電界を印加すると電子・正孔の波動関数が禁制帯中に浸み出し，その浸み出した状態間でバンドギャップ以下のフォトンエネルギーの光吸収が生じるようになります．この効果は「Franz-Keldysh効果」として知られています．これまで我々は，ワイドギャップ半導体であるGaNやSiCには高電界を印加可能であるため，Franz-Keldysh効果が顕著に見られると報告してきました[1-4]．また，このFranz-Keldysh効果による光電流は，理論に基づいて光吸収量を正確に計算可能（実験値を精度良く再現可能）であり，特に高電界部で局所的に光吸収が生じるという特徴があります．そこで，Franz-Keldysh効果を利用した新規測定手法を提案・確立することで，GaNにおける電子・正孔の衝突イオン化係数の精密測定に成功しています[5, 6]．
    今回，このFranz-Keldysh効果による光吸収が，近年次世代パワーデバイス材料として注目を集めるβ型酸化ガリウムにおいても見られることを明らかにしました．β型酸化ガリウムのバンドギャップは4.4-4.7 eVと大きく，Franz-Keldysh効果が波長275-285 nm付近（GaNやSiCよりも更に短波長領域）で顕著に見られることがわかりました．特に，β型酸化ガリウムは，非常に特徴的な価電子帯構造を有しており，
・間接遷移型半導体であるが，価電子帯を構成する他の電子状態を介したΓ点における直接遷移的光吸収が支配的である
・正孔の有効質量が極めて大きく，実質的に電子波動関数の浸み出しのみによるFranz-Keldysh効果に起因した光吸収が生じる
というユニークな性質を持つことがわかりました．これらの結果は，β型酸化ガリウムにおける高電界光吸収を理解する上で重要であり，また，β型酸化ガリウムを利用した紫外線光検出器などの研究開発にも有用であると言えます． 

本研究は，ノベルクリスタルテクノロジーとの共同研究によって実施されました．本研究の一部は，科研費若手研究(23K13362)および池谷科学技術振興財団，精密測定技術振興財団の研究助成の支援により実施されました．

参考文献:
[1] T. Maeda, M. Okada, M. Ueno, Y. Yamamoto, M. Horita and J. Suda,
    “Franz-Keldysh effect in n-type GaN Schottky barrier diode under high reverse bias voltage”,
    Applied Physics Express 9, 091002, (2016).  [featured as APEX spotlights2016]
[2] T. Maeda, T. Narita, M. Kanechika, T. Uesugi, T. Kachi, T. Kimoto, M. Horita and J. Suda,
    “Franz-Keldysh effect in GaN p-n junction diode under high reverse bias voltage”,
    Applied Physics Letters 112, 252104, (2018).
[3] T. Maeda, X. Chi, M. Horita, J. Suda and T. Kimoto,
    “Phonon-assisted optical absorption due to Franz-Keldysh effect in 4H-SiC p-n junction diode under high reverse bias voltage”,
    Applied Physics Express 11, 091302 (2018).
[4] T. Maeda, X. Chi, H. Tanaka, M. Horita, J. Suda and T. Kimoto,
    “Franz-Keldysh effect in 4H-SiC p-n junction diode under high electric field along the <11-20> direction”,
    Japanese Journal of Applied Physics 58, 091007 (2019).
[5] T. Maeda, T. Narita, H. Ueda, M. Kanechika, T. Uesugi, T. Kachi, T. Kimoto, M. Horita and J. Suda,
    “Measurement of avalanche multiplication utilizing Franz-Keldysh effect in GaN p-n junction diodes with double-side-depleted shallow bevel termination”,
    Applied Physics Letters 115, 142101 (2019).  [featured as APL Editor’s Pick]
[6] T. Maeda, T. Narita, S. Yamada, T. Kachi, T. Kimoto, M. Horita and J. Suda,
    "Impact Ionization Coefficients and Critical Electric Field in GaN",
    Journal of Applied Physics 129, 185702 (2021).  [Most Cited paper of J. Appl. Phys. in 2021-2022]