分子線エピタキシー法による1μm波長帯GaN/AlN量子カスケードレーザの開発

采用分子束外延法开发1μm波段GaN/AlN量子级联激光器

• 批准号: 13750315
• 负责人: 菊池 昭彦
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Sophia University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2002
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13750315/
• 关键词: 量子準位間遷移; ガリウムナイトライド; アルミニウムナイトライド; 分子線エピタキシー; 光通信; 半導体レーザ; 量子カスケードレーザ; 共鳴トンネルダイオード

本研究では、AlN/GaN系超格子を用いた光通信波長帯(1.55〜1.3μm)量子カスケードレーザを実現するための基礎技術の開発を行った。AlNおよびGaN薄膜結晶の成長にはRFプラズマで励起された窒素ガスを窒素源とする分子線エピタキシー(RF-MBE)法を用いた。カスケードレーザの電流注入機構の基本となるGaN/AlN二重障壁共鳴トンネルダイオード構造を作製し、室温における明瞭な微分負性抵抗の観測に初めて成功した。ピークバレイ比32という極めて大きな値が得られ、原子層レベルの膜厚制御技術が確認された。カスケードレーザの電極層となる高Al組成AlN/GaN超格子結晶における高濃度n型ドーピングを実現するため、Siのバルクおよびデルタドーピングを試み、数分子層厚のGaN井戸層への2x10^<20>cm^<-3>という高濃度ドーピングに成功した。同時にポテンシャル形状のシミュレーションを行い、ドーピング方法と濃度がサブバンド間遷移(ISBT)波長に及ぼす影響を明らかにした。高濃度ドーピングを行った292周期のAlN(11ML)/GaN(4ML)超格子結晶を用い、波長1.55μmのフェムト秒レーザによるポンプアンドプローブ法で超高速吸収緩和時間の観測に成功し、170フェムト秒の超高速緩和と1.1ピコ秒の遅い緩和の2つの過程が存在することを見出した。吸収緩和はp偏波にのみ観測され、ISBTによる吸収緩和であることが確認された。光通信波長帯におけるGaN系光導波路の理論解析と基礎パラメータの測定(実効屈折率および自由キャリア吸収)を行い、GaN光導波路による方向性結合器を試作し、GaN系光導波路の有用性を実証した。さらに、AlN/GaN超格子を有する窒化物系光導波路構造において、波長1.55μmのレーザ光に対するISBT吸収の観測にも成功した。

In this study, AlN/GaN superlattice optical communication wavelength band (1.55 ~ 1.3μm) quantum fiber optic technology development is carried out. The growth of AlN and GaN thin films was studied by RF-MBE method. The basic GaN/AlN double barrier resonance structure of the current injection mechanism for the high-voltage diode was successfully tested at room temperature. The film thickness control technology of atomic layer is confirmed. High concentration n-type electrode layer of AlN/GaN superlattice crystal with high Al composition was successfully realized in the electrode layer of AlN/GaN superlattice <20>crystal with high Al composition<-3>. At the same time, the shape and shape of the solution, the method and concentration of the solution, the wavelength of the solution and the influence of the solution on the solution are discussed. High concentration AlN(11ML)/GaN(4ML) superlattice crystals with 292 cycles were successfully measured by the ultra-high-speed absorption relaxation time method at a wavelength of 1.55μm. The ultra-high-speed absorption relaxation time of 170 μ m was successfully measured by the ultra-high-speed relaxation time of 1.1 μ m. The absorption mitigation is based on the detection of the polarization, ISBT, and the absorption mitigation. Theoretical analysis and fundamental measurement of GaN-based optical waveguide in optical communication wavelength band; experimental study of directional coupler in GaN-based optical waveguide; demonstration of usefulness of GaN-based optical waveguide In addition, AlN/GaN superlattice has been successfully tested for ISBT absorption at wavelength of 1.55μm.

项目成果

Kazuhide Kusakabe et al.: "Reduction of threading dislocations in migration enhanced epitaxy grown GaN with N-polarity by use of AIN multiple interlayer"Journal of Crystal Growth. 230. 387-391 (2001)

Kazuhide Kusakabe 等人：“通过使用 AIN 多层中间层减少迁移增强外延生长的 N 极性 GaN 中的螺纹位错”《晶体生长杂志》。

Katsumi Kishino et al.: "Improved molecular beam epitaxy for fabricating AIGaN/GaN heterojunction devices"physica status solidi (a). (to be published). (2002)

Katsumi Kishino 等人：“用于制造 AIGaN/GaN 异质结器件的改进分子束外延”物理状态固体 (a)。

Katsumi Kishino et al.: "Intersubband absorption at λ〜1.2-1.6μm in GaN/AIN multiple quantum wells grown by rf-plasma molecular beam epitaxy"physica status solidi. (to be published). (2002)

Katsumi Kishino 等人：“通过射频等离子体分子束外延生长的 GaN/AlN 多量子阱中 λ〜1.2-1.6μm 处的子带吸收”物理状态固体（即将出版）。

K.Kusakabe, et al.: "Overgrowth of GaN layer on GaN nano-columns by RF-molecular beam epitaxy"Journal of Crystal Growth. 237・2. 988-992 (2002)

K. Kusakabe 等人：“通过 RF 分子束外延在 GaN 纳米柱上生长 GaN 层”《晶体生长杂志》237・2（2002 年）。

橘哲生 他: "AlN/GaN超格子構造における1.07μmサブバンド間吸収の測定"第63回応用物理学会学術講演会 講演予稿集. 24a-YG-5 (2002)

Tetsuo Tachibana 等人：“AlN/GaN 超晶格结构中 1.07 μm 子带间吸收的测量”第 63 届日本应用物理学会年会论文集 24a-YG-5 (2002)。