Bi系化合物半導体量子ドットによる完全温度無依存レーザ

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本研究課題では完全に温度無依存な半導体レーザ実現のため、Bi系半導体量子ドットの形成法を確立することを目的とする。2022年度はBiを照射した量子ドットレーザの作製とその特性評価、並びにGaAs系材料におけるBiドロップレットの結晶化（ドロップレットエピタキシー）方法の研究を行った。InP系材料におけるBi照射量子ドットレーザの作製では少量のBi混入の期待できる温度領域（380℃）で量子ドットレーザを作製し、レーザ発振を確認した。作製した量子ドットレーザの発振波長の温度変化（20℃～75℃の温度領域）を評価したところ、Biの照射を行っていない量子ドットレーザの波長変化27nmに比べて、Biを照射した量子ドットレーザでは9nmの波長変化となり、発振波長の温度変化の大幅な低減に成功した。しかしながら、この際のBiの混入量は1％以下であり、波長シフト抑制の詳しいメカニズム解明は今後の課題である。GaAs系材料におけるBi混入InAs量子ドットの作製法の確立の研究では、出発物質をBiドロップレットとし、これにInおよびAsを供給することでInAsBi量子ドット形成を試みた。Biドロップレットの形成では基板温度を250℃以下に下げることにより、Biドロップレットを形成することに成功した。その後のIn照射、As照射についても検討を行い、一部InAsBiとして結晶化している傾向が見られたが、Biが単体で結晶化している部分も残り、完全なInAsBi結晶の形成には至らなかった。これとは別にInAsBi量子井戸をTEM観察中に加熱する実験を行ったが、ここでは最初量子井戸として膜構造であったものが量子ドットのように3次元的なナノ構造に変化する現象が確認された。得られたナノ構造にBiがどの程度含まれているかや、ウエハレベルで同じ現象が形成されるかを今後調べる予定である。