次世代光デバイスに向けた3次元自己組織化量子ドット超格子に関する研究

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半導体量子ドットは、キャリアをナノメートル領域に3次元的に閉じ込めることができ、巨大な光非線形性を利用して種々の光デバイスの性能向上が期待できる。本研究では、GaAs基板上InAs自己組織化量子ドットを用いた光デバイスへの応用を目指し、中間層にGaNAs材料を用いた歪み補償法による量子ドットの高密度化(多重積層化)技術の開発を行っている。しかし、GaNAs結晶は窒素が局在化しやすく均質な結晶の作製が困難な材料である。そこで、従来のAs_4分子線に替え、As_2分子線を用いることによって結晶品質が改善されることを明らかにし、また異なるAs分子線種がGaNAs上InAs量子ドットに与える影響について調べたところ、その形成過程に大きな違いがあることを明らかにしてきた。本年度は、以上の結果を基にGaAs基板上InAs/GaNAs多重積層量子ドットの成長条件最適化を行い、As_2分子線を用いて試料の作製を行った。さらにこれらの積層数を10,30,50層と変化させた量子ドット試料における光学利得の評価を行った。評価法はデバイス構造に依存しない、結晶そのものの利得を見積もることが可能な、光励起によるVariable Stripe-Length法を用いた。その結果、層数が増加するとともに光学利得はほぼ線形的に増大した。測定条件としては、励起強度密度が比較的小さく、通常のデバイス動作時の電流注入量に比べ少ないキャリア注入ではあるが、無積層のGaAs上InAs量子ドットの光学利得係数よりも大きな値が得られる結果となった。これは高品質な量子ドットの多重積層化ができている結果であり、また歪み補償技術を用いることで、GaAs基板上IriAs/GaNAs量子ドットの光学利得特性はさらなる増大が可能であることを示している。以上より、歪み補償法を用いた多重積層量子ドットは高利得材料として期待される。今後はInAs/GaNAs材料系においてデバイスプロセス工程の最適化が課題となる。