バイオテンプレート極限加工による３次元量子ナノ構造の作製と光学デバイスへの応用

3次元GaAs量子ナノ構造はGaAs/AlGaAs積層構造をドライエッチングすることにより作製する。その後、有機金属気相成長法により再成長を行う。最後に、電極を形成し3次元GaAs量子ナノディスク発光ダイオードを作製する。従来は、積層構造作製時のAlGaAsと同じAl濃度のAlGaAsキャップ層で再成長を行っていたが、この対称バリアのGaAs量子ナノ構造を用いて作製した発光ダイオード（LED）は100K付近において電流注入による発光が消失した。そこで、積層構造作製時のAlGaAsよりも高いAl濃度のAlGaAsを用いてキャップ層の再成長を行った。埋め込み再成長のAlGaAsのAl濃度を上げることで、GaAs量子ナノ構造の周りの障壁高さは平面方向よりも垂直方向の方が高くなる。この非対称バリアのGaAs量子ナノ構造を用いて作製した発光ダイオードでは、室温においても電流注入による発光を確認することができた。実際に作製した次元GaAs量子ナノ構造の障壁高さをシミュレーションにより計算した。その結果、対称形バリアの3次元GaAs量子ナノ構造では平面方向及び垂直方向ともに同じバリア高さであるという結果が得られた。一方で、非対称形バリアの3次元GaAs量子ナノ構造の場合では、Al濃度の低いバリアから電流が注入され量子ナノ構造にて再結合をすることがわかった。さらに、高濃度AlのAlGaAsバリアで囲まれているため、バリアと量子ナノ構造のエネルギー準位の差が開いている。そのため、深い閉じ込めによってキャリアがバリアに抜けてにくく、その結果室温まで動作することがわかった。以上のように、本年度はAl濃度の高いAlGaAsバリア層で埋め込み再成長を行うことで、室温で発光する3次元GaAs量子ナノ構造LEDの作製に成功した。また、このメカニズムを解明した。

3次元GaAs量子ナノ構造はGaAs/AlGaAs積層構造をドライエッチングすることにより作製する。その後、有機金属気相成長法により再成長を行う。最後に、電極を形成し3次元GaAs量子ナノディスク発光ダイオードを作製する。従来は、積層構造作製時のAlGaAsと同じAl濃度のAlGaAsキャップ層で再成長を行っていたが、この対称バリアのGaAs量子ナノ構造を用いて作製した発光ダイオード（LED）は100K付近において電流注入による発光が消失した。そこで、積層構造作製時のAlGaAsよりも高いAl濃度のAlGaAsを用いてキャップ層の再成長を行った。埋め込み再成長のAlGaAsのAl濃度を上げることで、GaAs量子ナノ構造の周りの障壁高さは平面方向よりも垂直方向の方が高くなる。この非対称バリアのGaAs量子ナノ構造を用いて作製した発光ダイオードでは、室温においても電流注入による発光を確認することができた。実際に作製した次元GaAs量子ナノ構造の障壁高さをシミュレーションにより計算した。その結果、対称形バリアの3次元GaAs量子ナノ構造では平面方向及び垂直方向ともに同じバリア高さであるという結果が得られた。一方で、非対称形バリアの3次元GaAs量子ナノ構造の場合では、Al濃度の低いバリアから電流が注入され量子ナノ構造にて再結合をすることがわかった。さらに、高濃度AlのAlGaAsバリアで囲まれているため、バリアと量子ナノ構造のエネルギー準位の差が開いている。そのため、深い閉じ込めによってキャリアがバリアに抜けてにくく、その結果室温まで動作することがわかった。以上のように、本年度はAl濃度の高いAlGaAsバリア層で埋め込み再成長を行うことで、室温で発光する3次元GaAs量子ナノ構造LEDの作製に成功した。また、このメカニズムを解明した。