量子井戸サブバンド間遷移を用いた窒化物半導体モノポーラ光デバイスの基礎研究

窒化物半導体であるGaNとAlNの大きな伝導帯オフセットを近赤外光領域における量子準位間遷移光デバイスへ適用し、優れた耐環境性や波長安定性を有する光デバイスの開発を目指し、分子線エピタキシー(MBE)法による窒化物半導体結晶成長に関する研究を行った。1. MEE法によるGaNの高品質化Ga原子の表面拡散を促進するMigration Enhanced Epitaxy(MEE)法によりGaNを成長するとピット等の無い良好な表面モホロジーが得られることを見出した。MEE法で成長したGaN上に通常のMBE法でGaN:Siを成長した。室温ホトルミネッセンス半値全幅は31meV、室温移動度は372cm^2/Vs(キャリア濃度1.2x10^<17>cm^<-3>)であり、MBE法でAl_2O_3基板上に成長したGaNでは最高レベルの値が得られた。2. GaNの2.6μm/hr高速度成長基板面への活性窒素供給量を増加することにより、2.6μm/hrというMBE法では世界的にも例を見ない高速度でGaNの成長を行った。高速度で成長したGaN結晶の品質は、電気的・光学的特性から見ても低成長速度の場合に対し遜色無く、MBE法による厚膜光デバイスの作製が可能であることを示した。3. InGaN/GaN多重量子井戸、GaN/AlN超格子の試作Gaを連続照射中に活性窒素を断続的に供給するシャッター制御法を用いて15周期のInGaN/GaN多重量子井戸構造を作製したところ、基板温度750℃という高温でもInの取込みが確認され、ヘテロ界面での成長中断無しでデバイス構造の作製が可能であることが示された。X線回折測定では明瞭な高次回折ピークが観察され、良好な界面と周期性を有する多重量子井戸構造の形成が確認された。また、GaNはシャッター制御法、AlNはMEE法を用いてGaN/AlN超格子を成長し、RHEED観測により平坦な成長が行われていることを確認した。4. GaN結晶の表面モホロジーの改善MBE法により成長したGaN結晶は一般に反転ドメイン構造を多く含む窒素極性膜であり、窒素極性膜は表面の平坦性や化学的な安定性でGa極性膜に劣る。ここでは成長初期過程の制御でMBE法でもGa極性を持つ極めて平坦でピット等の無いGaNをAl_2O_3基板上に成長する可能性を見出した。今後はこのGa極性膜を用い、周期の異なるGaN/AlN超格子構造を作製し、ヘテロ界面の評価や量子準位間遷移の光物性の測定等を行う。

窒化物半導体であるGaNとAlNの大きな伝導帯オフセットを近赤外光領域における量子準位間遷移光デバイスへ適用し、優れた耐環境性や波長安定性を有する光デバイスの開発を目指し、分子線エピタキシー(MBE)法による窒化物半導体結晶成長に関する研究を行った。1. MEE法によるGaNの高品質化Ga原子の表面拡散を促進するMigration Enhanced Epitaxy(MEE)法によりGaNを成長するとピット等の無い良好な表面モホロジーが得られることを見出した。MEE法で成長したGaN上に通常のMBE法でGaN:Siを成長した。室温ホトルミネッセンス半値全幅は31meV、室温移動度は372cm^2/Vs(キャリア濃度1.2x10^<17>cm^<-3>)であり、MBE法でAl_2O_3基板上に成長したGaNでは最高レベルの値が得られた。2. GaNの2.6μm/hr高速度成長基板面への活性窒素供給量を増加することにより、2.6μm/hrというMBE法では世界的にも例を見ない高速度でGaNの成長を行った。高速度で成長したGaN結晶の品質は、電気的・光学的特性から見ても低成長速度の場合に対し遜色無く、MBE法による厚膜光デバイスの作製が可能であることを示した。3. InGaN/GaN多重量子井戸、GaN/AlN超格子の試作Gaを連続照射中に活性窒素を断続的に供給するシャッター制御法を用いて15周期のInGaN/GaN多重量子井戸構造を作製したところ、基板温度750℃という高温でもInの取込みが確認され、ヘテロ界面での成長中断無しでデバイス構造の作製が可能であることが示された。X線回折測定では明瞭な高次回折ピークが観察され、良好な界面と周期性を有する多重量子井戸構造の形成が確認された。また、GaNはシャッター制御法、AlNはMEE法を用いてGaN/AlN超格子を成長し、RHEED観測により平坦な成長が行われていることを確認した。4. GaN結晶の表面モホロジーの改善MBE法により成長したGaN結晶は一般に反転ドメイン構造を多く含む窒素極性膜であり、窒素極性膜は表面の平坦性や化学的な安定性でGa極性膜に劣る。ここでは成長初期過程の制御でMBE法でもGa極性を持つ極めて平坦でピット等の無いGaNをAl_2O_3基板上に成長する可能性を見出した。今後はこのGa極性膜を用い、周期の異なるGaN/AlN超格子構造を作製し、ヘテロ界面の評価や量子準位間遷移の光物性の測定等を行う。