II-VI化合物超格子のMBE成長とその結晶学的・光物性的研究

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短波長可視光領域で動作する光・電子デバイス、特に半導体レーザーを開発するための基礎となる高い量子閉込め効果を示すII-VI化合物半導体超格子をMBE成長法により作製することを目的とする。これに対する有力な候補として、ZnSeとそれよりバンドギャップの大きいlla-Vlb化合物のMgSeとの組合せによる多重量子井戸構造超格子を取り上げ、その作製を試み、結晶学的・光物性的評価を行った。GaAs(100)基板上に第1層ZnSe、第2層MgSeまたはZnMgSe、第3層ZnSeから成る3層構造を成長させた。最適基盤温度は380℃であった。X線回折測定により、MgSeは岩塩型、ZnMgSeは閃亜鉛鉱型であることがわかった。ZnMgSeのX線ロッキングカーブの半値幅は450″で、結晶性は極めてよいことがわかった。第2層ZnMgSeのものの光ルミネッセンスのスペクトルにはZnSeの自由・束縛励起子およびドナー・アクセプター対による発光線の他、ZnMgSeに起因する発光が3.1eV付近に観測された。これよりバンドギャップはその程度、Mgの全陽イオンに対する比は0.35程度と見積られる。次いで60層の繰り返しをもつ(ZnSe/ZnMgSe)_nの多重量子井戸超格層を成長させた。ZnSe井戸およびZnMgSeバリヤーの厚さはいずれも3nmである。GaAs基板をエッチングで除去し吸収スペクトルを測定した。12Kで、2.9eVにピークをもち、吸収係数3×10^4cm^<-1>程度の励起子吸収が観測された。温度上昇と共にこのピークは少し低エネルギー側にシフトし、常温まで明瞭に観測された。これよりこの励起子の結合エネルギーはバルクのZnSeのそれ(21meV)よりかなり大きいと推定され、この励起子はZnSe量子井戸に閉じ込められており、二次元的になっていることを示すものとみなされる。