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。

This study で は, AlN/GaN superlattices を with い た 帯 optical communication wavelength (1.55 ~ 1.3 microns) quantum カ ス ケ ー ド レ ー ザ を be presently す る た め の foundation technology の open 発 を line っ た. AlN お よ び GaN film crystallization の growth に は RF プ ラ ズ マ で wound up さ れ た smothering element ガ ス を smothering element source と す る molecular line エ ピ タ キ シ ー を (RF - MBE) method with い た. カ ス ケ ー ド レ ー ザ の inject current institutions の basic と な る GaN/AlN double barrier resonance ト ン ネ ル ダ イ オ ー ド tectonic し the を cropping, room temperature に お け る clear な negative differential resistance の に 観 test early め て successful し た. ピ ー ク バ レ イ than 32 と い う extremely め て big き な numerical が have ら れ, atomic layer レ ベ ル の film thickness suppression technology が confirm さ れ た. カ ス ケ ー ド レ ー ザ の electrode layer と な る high Al of AlN/GaN superlattice crystals に お け る high concentrations of n type ド ー ピ ン グ を be presently す る た め, Si の バ ル ク お よ び デ ル タ ド ー ピ ン グ を み, several thick の GaN opens well layer へ の 2 x10 ^ < > 20 cm ^ 3 > < - と い う high-concentration ド ー ピ ン グ に し success Youdaoplaceholder0. Shape at the same time に ポ テ ン シ ャ ル の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を い, ド ー ピ ン グ method と concentration が サ ブ バ ン ド migration (ISBT) wavelength に and ぼ す influence を Ming ら か に し た. High concentration ド ー ピ ン グ を line っ た 292 cycle の AlN (ml)/GaN (4 ml) with superlattice crystallization を い, wavelength of 1.55 microns の フ ェ ム ト seconds レ ー ザ に よ る ポ ン プ ア ン ド プ ロ ー ブ method で ultra-high-speed 収 absorption time の 観 に し success, 170 フ ェ ム ト 1.1 seconds の ultra-high speed moderate と ピ コ seconds の 遅 い detente The process が exists in する た とを とを is seen in とを た. Absorption mitigation <s:1> p bias wave に み観 み観 measurement され, ISBTによる absorption mitigation である とが とが とが confirmation された. Department of optical communication wavelength 帯 に お け る GaN optical wave theory analytical と road の パ ラ メ ー タ の determination (be sharper inflectional rate お よ び free キ ャ リ ア 収) absorption line を い, GaN optical wave に よ る directional bonder を attempt し の usefulness, GaN optical wave road を card be し た. さ ら に, AlN/GaN superlattices を have す る smothering compound series optical wave road construction に お い て, wavelength of 1.55 microns の レ ー ザ light に す seaborne る ISBT suction 収 の 観 measuring に も successful し た.

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)。