窒化物半導体による1μm波長帯量子カスケードレーザの基礎研究

使用氮化物半导体的1μm波段量子级联激光器的基础研究

• 批准号: 11750296
• 负责人: 菊池 昭彦
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Sophia University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1999
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1999 至 2000
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-11750296/
• 关键词: 量子カスケードレーザ; ガリウムナイトライド; アルミニウムナイトライド; 量子準位間遷移; 分子線エピタキシー; 光通信; 半導体レーザ; 共鳴トンネルダイオード; 量子準位間還移

本年度は、光通信用波長帯である1.55〜1.3μm波長におけるAlN/GaN量子カスケードレーザを作製するための結晶成長実験を中心に研究を行い、AlN/GaN二重障壁構造に於いて、明瞭な量子効果(負性微分抵抗)を室温で観測するに至った。ここでは分子線エピタキシー法(RF-MBE)を用いてサファイア基板上に直接高品質GaN結晶を成長する技術の開発(1)と、MBE法が苦手とする初期成長を回避して、MBEの本質な特徴である超薄膜ヘテロ構造成長を実証するためのデバイス作製(2,3)を行った。1.GaNナノコラムによる無歪GaN成長法の開発:サファイア基板上に成長したGaN系材料では、基板結晶とGaNの熱膨張係数の違いによる残留歪が存在する。これはデバイス加工上の障害となり、更に素子特性を劣化させる要因となる。通常、歪の無いGaN結晶を得るためには100μmを超える厚膜GaNの成長を必要とするが、ここでは我々が開発したGaNナノコラムと呼ばれる直径0.1μm以下の柱状GaN結晶をバッファ層として用い、その上にGaNの連続膜を成長する方法を提案した。この手法により、わずか数μmの厚さで、サファイア基板上に歪の無いGaN結晶を得ることに成功した。2.GaN/AlGaN高電子移動度トランジスタ(HEMT)の作製:MOCVD法で成長した高品質GaN結晶上にRF-MBE法でAlGaN/GaN-HEMT構造を試作した。初期的な実験にもかかわらず、室温における最高移動度は1200cm^2/Vsを超え、最高シートキャリア密度も2.5x10^<13>cm^<-2>と良好であり、高品質なヘテロ界面が形成されていることを示めす結果が得られた。3.GaN/AlN共鳴トンネルダイオードによる室温負性抵抗の観測:GaNとAlNは2eVという従来の化合物半導体では得られなかった高い伝導体不連続を有することから各種量子効果デバイスへの応用が期待されているが、数原子層厚での膜厚制御と優れた平坦性が要求されるため、作製が難しい。MOCVD法で成長した高品質GaN上に、昨年度報告したAlN多重中間層による転位低減法を用い、AlN/GaN二重障壁トンネルダイオードを成長した。作製したデバイスは室温に於いて明瞭な負性微分抵抗を示した。これは我々の知る限り世界で初めての報告であり、RF-MBEによるカスケードレーザの実現の可能性を強く示唆する結果といえよう。

This year, the optical communication wave length has a wavelength range of 1.55 ~ 1.3 μ m, the wavelength of the AlN/GaN quantum spectrum has grown into a long-term optical transmission center, the AlN/ gan double barrier has been built in the microwave, and it is known that the quantum fruit (differential resistance) is effective at room temperature. The RF-MBE method uses the direct high-quality GaN crystal growth technology on the substrate (1), the MBE method is used to avoid the initial growth, and the MBE system results in a long-term performance of the ultra-thin film system. The 1.GaN system is sensitive to the growth of GaN series materials on the substrate, and the results of the substrate show that there is an error in the residual distortion of the GaN system. In the process of processing, there is a lot of damage, and the deterioration of the characteristics of the element is due to the failure of the processing. In general, the error-free GaN results show that it is necessary for the growth of thick film GaN to grow in the temperature range of 100 μ m, and the proposed method for the growth of thin films of cylindrical GaN with a diameter of less than 0.1 μ m is proposed. The method is correct, the thickness is several μ m, and the substrate is crooked and free of GaN results. 2.GaN/AlGaN High Electron Mobility Spectroscopy (HEMT) performance: the MOCVD method is used to grow high quality GaN. The RF-MBE method is used to make the AlGaN/GaN-HEMT device. The initial temperature temperature, the room temperature, the maximum mobility of 1200 cm ^ 2

项目成果

豊浦洋祐 他: "窒化物系共振型紫外線受光素子の設計とRF-MBE法によるAlGaN系DBRの試作"電子情報通信学会Technical Report of IEICE. OFT99-54 OPE99-142. 19-24 (2000)

Yosuke Toyoura 等人：“使用 RF-MBE 方法设计氮化物基谐振紫外光接收元件和原型生产 AlGaN 基 DBR”IEICE OFT99-54 OPE99-142 (2000) 的 IEICE 技术报告。

K.Kusakabe et al.: "Quasi-free standing GaN epitaxial layer grown on nano-columnar by RF-molecular beam epitaxy"Proceedings of International Symposium on Compound Semiconductors 2001. (2001)

K.Kusakabe 等人：“通过 RF 分子束外延在纳米柱上生长的准自由站立 GaN 外延层”2001 年国际化合物半导体研讨会论文集。(2001)

杉原大輔 他: "RF-MBE法によるMEE法を用いたGaN:Si厚膜成長"第60回応用物理学会学術講演会. 2a-V-10 (1999)

Daisuke Sugihara 等人：“使用 RF-MBE 方法使用 MEE 方法生长 GaN:Si 厚膜”第 60 届日本应用物理学会年会 2a-V-10 (1999)。

豊浦洋祐 他: "AlGaN系紫外領域共振型受光素子の理論解析"第47回応用物理学関係連合講演会. 31a-YQ-9 (2000)

Yosuke Toyoura等人：“基于AlGaN的紫外谐振光电探测器的理论分析”第47届应用物理学会会议31a-YQ-9（2000）。

A.Kikuchi et al.: "Improvement of crystal quality of RF-molecular beam epitaxy grown Ga-polarity GaN by high-temperature grown AlN multiple intermediate layers"Japanese Journal of Applied Physics. 39・4B. L330-L333 (2000)

A. Kikuchi 等人：“通过高温生长 AlN 多个中间层提高 RF 分子束外延生长的 Ga 极性 GaN 的晶体质量”日本应用物理学杂志 39・4B (2000)。