中赤外線領域光電子集積センサの開発

中红外光电集成传感器的研制

• 批准号: 15656100
• 负责人: 矢野 満明
• 金额: $ 2.43万
• 依托单位: Osaka Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2003
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2003 至 2005
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-15656100/
• 关键词: PbTe; CdTeヘテロ接合; 量子井戸; 量子ドット; 格子タイプミスマッチ; 分子線エピタキシー; 中赤外線発光; 自己形成; 相分離; CdTeヘテロ結合; 薄膜結晶成長; GaAs(100)基板; 発光効率; 室温発光; 結晶成長; 量子井戸構造; PL発光スペクトル

PbTe/CdTeヘテロ接合を対象に,GaAs基板上に集積化した中赤外線領域の光電子集積デバイスの開発を目的とした.PbTeは3μm帯に対応する直接遷移型半導体で,開発の遅れている中赤外線領域の受光・発光デバイス材料として注目を集めている.近年BaF_2(111)を基板に,PbTe/PbEuTeヘテロ接合が発明され,ヨーロッパ諸国やアメリカを中心に研究が進んでいる.本研究では,受発光素子や周辺電子回路との集積化を考慮して,汎用性の高いGaAs(100)を基板とした新しい材料システムを開発することを目的とする.具体的には,障壁層にPbTeと格子整合するCdTeを採用し,PbTe/CdTeヘテロ接合の結晶成長と発光特性を検討した.結晶成長は固体ソースの分子線エピタキシー法で行い,GaAs(100)基板面上に高品質CdTe(100)バッファ層を成長させ,その上にPbTe/CdTe量子井戸を作製した.PbTe量子井戸の井戸幅は1〜10nmである.この構造から世界で始めて中赤外線領域のフォトルミネッセンスを観測した.発光は極低温から500K程度まで観測でき,特に室温以上の発光強度は従来のPbTe/PbEuTe量子井戸よりも1桁高かった.発光機構は量子井戸に閉じ込められた電子と正孔の再結合に基づいており,半導体電子デバイスに好適である.このような高効率発光特性が実現できた理由を解析すると,CdTe中のPbTeは2次元的な量子井戸ではなく,直径20nm程度の等方位無歪み粒子を形成していることがわかった.即ち,高効率発光は量子ドットの形成に負うものであることが判明した.岩塩構造をもつPbTeと閃亜鉛鉱構造のCdTeは立方格子としての格子定数は整合しているが,結晶構造が異なるために相分離を生じ易い.このために,自由エネルギーの最も少ない球状の量子ドットを自己形成することがPbTeにとって安定であることが第1原理計算を用いて明らかになった.従来,固体中における量子ドットの形成機構として界面歪によるSKモードが知られていたが,本研究で見出した形成機構は格子タイプのミスマッチに基づいており全く新しいものである.

PbTe/CdTe junction target: photoelectron junction target: GaAs substrate; photoelectron junction target: GaAs substrate; PbTe junction target: GaAs substrate; In recent years, BaF_2(111) substrate,PbTe/PbEuTe junction has been developed, and the research on BaF_2 (111) substrate has been carried out in the center of the study. In this study, the integration of photoreceptors and peripheral electronic circuits was considered, and the purpose of this study was to develop a new material for GaAs(100) substrates with universal properties. In particular, the barrier layer PbTe lattice integration CdTe,PbTe/CdTe junction crystal growth and light emission characteristics are discussed. Crystal growth of solid-state CdTe quantum wells is performed by the molecular wire method. High quality CdTe(100) quantum layers are grown on GaAs(100) substrates, and PbTe/CdTe quantum wells are fabricated on GaAs(100) substrates.PbTe quantum wells have a well width of 1 ~ 10nm. This structure makes it possible to see the world's first full-color mobile phone in the mid-infrared field. The emission intensity of PbTe/PbEuTe quantum wells is measured at very low temperatures up to 500K, especially at room temperatures. The light emitting mechanism is a quantum well, a semiconductor electron, and a positive hole. The reason why the high efficiency light emission characteristic of CdTe is realized is analyzed. PbTe in CdTe is a two-dimensional quantum well with a diameter of about 20nm and no distorted particles are formed in the same direction. That is, the formation of high efficiency light quantum is negative. The structure of the rock and the structure of the CdTe cubic lattice are integrated, and the crystal structure is different and the phase separation is easy to occur. The first principle of calculation is to use the PbTe to stabilize the quantum structure of the sphere. In recent years, the formation mechanism of quantum particles in solids has been found to be completely new.

项目成果

M.Yano, I.Makabe, K.Koike: "Photoluminescence characterized thermal mismatch of PbTe/CdTe single quantum wells grown on GaAs substrate."Physica E. 20/3-4. 449-452 (2004)

M.Yano、I.Makabe、K.Koike：“光致发光表征了在 GaAs 衬底上生长的 PbTe/CdTe 单量子阱的热失配。”Physica E. 20/3-4。

K.Koike, I.Makabe, M.Yano: "Photoluminescence properties of the PbTe/CdTe single quantum wells grown on (100)-oriented GaAs substrates by molecular beam epitaxy."Extended Abstracts of the 22^<nd> Electronic Materials Symposium. EMS-22. 257-260 (2003)

K.Koike、I.Makabe、M.Yano：“通过分子束外延在 (100) 取向 GaAs 衬底上生长的 PbTe/CdTe 单量子阱的光致发光特性。”第 22 届电子材料研讨会的扩展摘要

Continuous-wave light emission from PbTe based heterostructures with CdTe or PbEuTe barriers

具有 CdTe 或 PbEuTe 势垒的 PbTe 基异质结构的连续波光发射

• 发表时间: 2004
• 期刊: Abstracts of 6^<th> International Conf.on Mid-Infrared Optoelectronics Materials and Devices MIOMD-6
• 作者: E.Kaufmann;W.Heiss;G.Springhoz;T.Schwartzl;M.Ynao;I.Makabe;k.Koike
• 通讯作者: k.Koike

Intense Mid-infrared Emission from Lattice Type Mismatched Epitaxial PbTe/CdTe Quantum Dots

晶格型失配外延 PbTe/CdTe 量子点的强中红外发射

• 发表时间: 2005
• 期刊: 7th International Conf.on Mid-Infrared Optoelectronics-Materials & Devices, Lancaster
• 作者: E.Kaufman;W.Heiss;K.Koike;M.Yano 他6名
• 通讯作者: M.Yano 他6名

K.Koike, T.Honden, I.Makabe, F-P.Yan, M.Yano: "PbTe/CdTe single quantum wells grown on GaAs(100) substrates by molecular beam epitaxy"Journal of Crystal Growth. 257. 212-217 (2004)

K.Koike、T.Honden、I.Makabe、F-P.Yan、M.Yano：“通过分子束外延在 GaAs(100) 衬底上生长的 PbTe/CdTe 单量子阱”晶体生长杂志。