共振器構造を利用したシリコンゲルマニウム材料発光ダイオードの試作に関する研究

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本研究では、Si基板上の光エレクトロニクス集積回路開発のために、その要素デバイスである発光ダイオードの試作を目的としたものであり、デバイスを作製する材料として、Si基板上に良質なヘテロ構造を作製することのできるシリコンゲルマニウム(SiGe)を用い、その特性を活用した素子技術の開発を行った。SiやSiGeは、間接遷移型半導体であるため、発光効率が著しく低いが、Si/SiGeヘテロ構造を用いた量子閉じ込め構造を作製することで、発光効率を増大させることができる。本研究における独創的なアイディアは、ヘテロ構造を用いた微小共振器を用いて、Si/SiGe量子構造からの発光を、増大・変調する、というものである。まず、研究の初段階において、歪み補償Si/SiGeヘテロ構造を用いた分布ブラッグ反射ミラーを作製し、90%を超える高反射率を達成した。また、2つのミラーを組み合わせることによって、微小共振器を作製し、その共振器中に、発光層としてSi/SiGe量子井戸およびGe量子ドットを挿入することによって、その発光特性の変調を調べた。その結果、共振器を反映したシャープな発光ピークが観測された。また、発光の指向性も著しく改善され、基板表面に垂直な方向への発光が支配的となった。Ge量子ドットを挿入した場合には、室温付近まで発光が観測され、デバイスの室温動作への足がかりを得た。さらに、電流注入を用いた発光について検討を進めるために、Si/SiGe分布ブラッグミラー中へのドーピングを試みたが、ドーピングによって結晶性が悪化し、かつ、フリーキャリア吸収によって、ミラーの反射率が著しく低下する結果となってしまった。微小共振器を用いた発光ダイオードの試作には、良質なドーピング層の形成が必要不可欠であり、今後の課題である。