光電融合に向けたＩＶ族多元混晶ヘテロ構造の結晶成長制御に基づくレーザー素子の開発

Si系集積回路の性能向上に向けて、光電融合技術が注目されている。この技術の実現には、既存のSiプロセスとの親和性の高いIV族元素からなる直接遷移型半導体を発光層に用いた発光素子の集積が有望である。これらの要望を満たす構造として理論計算から発光層およびクラッド層としてそれぞれGeSnおよびGeSiSn層を用いたGeSn/GeSiSnヘテロ構造が提案されている。一方で、GeSnの直接遷移化は圧縮歪の低減による手法が報告されてきたが、歪緩和の際に導入される貫通転位により発光強度が大幅に減少する。そこで本研究では、歪緩和に依らない直接遷移化手法としてn型ドーピングによる擬似的直接遷移化を検討した。圧縮歪を有するGeSn層にSbをドーパントとして高濃度のn型ドーピングを施した。Sbドープを施さない場合、発光は観測されなかったが、Sbを1E19 cm^-3ドープすることで発光が観測された。さらに、Sbドープ量を1E20 cm^-3とすることで発光強度が約8倍に増大し、ドーピングによる電子密度の増加が発光強度増大に有効であることが示された。加えて、発光強度の温度依存性から、高濃度n型ドーピングによる擬似的直接遷移化を実証した。さらに、擬似的直接遷移化したGeSnを発光層としたn+-GeSn/GeSiSnヘテロ構造を形成した。しかし、この構造では正孔をn+-GeSnに閉じ込められず発光が観測されなかった。そこで、価電子帯側で大きなオフセットを有し正孔の閉じ込めが実現できるn+-GeSn/n-SiGeヘテロ構造としたところ発光が観測された。これらの結果は、キャリア閉じ込め構造の設計の重要性を示しており、n型ドーピングにより擬似的直接遷移化したn+-GeSn層に効果的にキャリアを閉じ込めるための指標となる結果である。

Si系集積回路の性能向上に向けて、光電融合技術が注目されている。この技術の実現には、既存のSiプロセスとの親和性の高いIV族元素からなる直接遷移型半導体を発光層に用いた発光素子の集積が有望である。これらの要望を満たす構造として理論計算から発光層およびクラッド層としてそれぞれGeSnおよびGeSiSn層を用いたGeSn/GeSiSnヘテロ構造が提案されている。一方で、GeSnの直接遷移化は圧縮歪の低減による手法が報告されてきたが、歪緩和の際に導入される貫通転位により発光強度が大幅に減少する。そこで本研究では、歪緩和に依らない直接遷移化手法としてn型ドーピングによる擬似的直接遷移化を検討した。圧縮歪を有するGeSn層にSbをドーパントとして高濃度のn型ドーピングを施した。Sbドープを施さない場合、発光は観測されなかったが、Sbを1E19 cm^-3ドープすることで発光が観測された。さらに、Sbドープ量を1E20 cm^-3とすることで発光強度が約8倍に増大し、ドーピングによる電子密度の増加が発光強度増大に有効であることが示された。加えて、発光強度の温度依存性から、高濃度n型ドーピングによる擬似的直接遷移化を実証した。さらに、擬似的直接遷移化したGeSnを発光層としたn+-GeSn/GeSiSnヘテロ構造を形成した。しかし、この構造では正孔をn+-GeSnに閉じ込められず発光が観測されなかった。そこで、価電子帯側で大きなオフセットを有し正孔の閉じ込めが実現できるn+-GeSn/n-SiGeヘテロ構造としたところ発光が観測された。これらの結果は、キャリア閉じ込め構造の設計の重要性を示しており、n型ドーピングにより擬似的直接遷移化したn+-GeSn層に効果的にキャリアを閉じ込めるための指標となる結果である。