【研究分野】薄膜・表面界面物性

【研究領域課題番号】20360021 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子井戸 / 量子ドット / 濡れ層 / 波動関数 / 界面揺らぎ / 組成揺らぎ / 局在状能 / 近接場光学顕微鏡 / 活性化エネルギー / 局在状態 / 界面物性 / 励起子 / 磁気発光分光

【研究成果の概要】

1～3原子層の厚さを有する量子井戸や量子ドット濡れ層に閉じ込められた電子の波動関数はバリア層に大きく浸み出すため、その電子状態の詳細は、バリア層におけるさまざまな揺らぎを明らかにする上で良いプローブとなる。そこで本研究では、近接場光学顕微鏡を用いたナノイメージング分光法と数値シミュレーションを駆使し、局在電子状態の解明をおこない、バリア層揺らぎとの関連を明らかにした。さらに、局所的な応力印加を利用した量子状態制御のデモンストレーションをおこなった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2008 - 2010

【配分額】17,940千円 (直接経費: 13,800千円、間接経費: 4,140千円)

【研究分野】ナノ構造科学

【研究領域課題番号】16310075 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

波動関数 / 近接場光学顕微鏡 / 量子ドット / 窒化物半導体 / 局所状態密度 / 混晶 / ホモダイン法 / 量子井戸 / フォトルミネッセンス

【研究成果の概要】

低温(ヘリウム温度)・強磁場下にて動作し、かつ30nmの空間分解能を有する近接場光学顕微鏡(NSOM)を用いてイメージング分光をおこない、半導体量子ドット、ならびにその結合状態の波動関数マッピングをおこなった。おもな成果は以下のとおりである。
(1)GaAs界面量子ドットにおいて最低準位励起子、励起子分子、ならびに励起状態の励起子の波動関数マッピングをおこない、モデル計算との定量的な一致を得た。さらに磁場中での磁気光学発光も測定し、反磁性シフトを明瞭に観察した。シフト量と波動関数マッピングにより得られる情報(量子ドットの大きさ)との相関を明らかにした。
(2)静電閉じ込め量子ドットにおいて、検出波長に依存した発光プロファイルの変化を確認し、局所状態密度のマッピングに成功したと結論付けた。
(3)GaNAs量子井戸においてN原子の不均一な分布による局在、非局在状態の実空間マッピングをおこなった。発光スペクトル形状と空間的な発光プロファイルに強い相関が確認され、クラスター状態と混晶状態が共存していることを確認した。
(4)GalnNAs量子井戸において(3)と同様、局在励起子発光の実空間マッピングをおこなった。近接する局在ポテンシャルにより結合した量子ドット構造を確認した。シュレディンガー方程式の数値計算の結果と比較し、結合したポテンシャル構造を定量的に予測した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2004 - 2006

【配分額】13,900千円 (直接経費: 13,900千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】14350002 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

フォトルミネッセンス / 非発光再結合準位 / GaN / 紫外・青色発光材料 / 量子井戸 / 量子ドット / 量子井戸構造

【研究成果の概要】

(1)2波長励起フォトルミネッセンス測定系の整備拡充
可視〜近赤外域での波長連続可変励起源と受光系、励起光およびPL強度分布測定用CCDカメラを備えた測定系を新たに整備拡充し、汎用の2波長励起フォトルミネッセンス測定系を構築した。
(2)プラズマMBE成長試料の禁制帯内準位測定
ハノーバー大学で成長されたプラズマMBE成長GaN/AlGaN量子井戸構造半導体試料の準位測定を行い、GaN/Al_<0.12>Ga_<0.88>N量子井戸構造では十分なバッファ層(780nm厚のAl_<0.50>Ga_<0.50>N)の挿入及びSi添加、またGaN/Al_<0.43>Ga_<0.57>N量子井戸構造では量子井戸周期(すなわちヘテロ界面数)の増大により、発光層の結晶性が改善されることを示した。さらにSi選択ドープGaN/Al_<0.43>Ga_<0.57>N量子井戸構造は、移動度が高い上に発光効率にも優れることを実証した。
(3)欠陥生成前後の2波長励起フォトルミネッセンス観測
GaN/Al_<0.12>Ga_<0.88>N量子井戸構造の測定途中で、不可逆的なPL強度低下と禁制帯内励起効果の減少を観測した。これは紫外光励起による表面欠陥準位の生成を初めて捉えたものであり、新たな準位を従来の2準位モデルに組み込むことによって説明し得ることを明らかにした。
(4)InAs(3原子層)量子ドット試料を用いて2波長励起PL測定を行い、trap-filling効果を含め準位を初めて観測した。BGE効果の温度依存性から、量子ドットでのキャリア再結合過程の手がかりが得られた。またY_2O_2S : Eu等の蛍光体材料に本手法を適用し、熱ルミネッセンスとの組み合わせによって従来分離不能であった準位の分離測定に成功した。
総じて研究実施計画に基づき、本手法の拡充、波及範囲拡大が可能となった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2002 - 2004

【配分額】6,800千円 (直接経費: 6,800千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】14750257 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体レーザ / 光通信 / GaAs / 結晶成長 / 量子井戸 / 量子ドット / GaInNAs

【研究成果の概要】

光通信用波長1.55μm帯レーザのGaAs基板上への形成が望まれる.窒素を含むGaInNAsやGaInAs量子ドットが有望だが,波長1.3μmを越えるレーザの実現には,結晶の発光効率の向上が必要である.本研究では,GaAs基板上マ波長1.3μmを越える発光材料の結晶成長特性と発光特性への影響解明を目的とした.
本年は,自己形成量子ドットの発光効率向上のため,結晶成長時の表面エネルギーを変化させるサーファクタントを用いて,結晶歪による転移発生の抑制の可能性について検討を行った.Sbをサーファクタントとして用い,まず,GaInAsドット中への導入を行った.サーファクタントの効果による3次元成長の抑制効果により,量子ドット密度が急激に低減されることを見出した.一方,量子ドットのカバー層であるGaInAsへのSb導入では,発光効率の大幅な向上とともに,発光波長の長波長化を観測した.ドット形成時に,高歪ドット表面からのInの拡散が,Sbのサーファクタント効果により抑制され,ドットの縮小が抑制されたこと,また,サーファクタント効果により,カバー層によるドットへの応力が低減されたためと考えられる.これらの条件を元にInAsドットにSbを含むGaInAsカバー層を形成し,最長1.48μmの室温フォトルミネッセンスを得た.
以上,本年は,Sbを用いてGaInAs量子ドットの長波長化と発光効率の向上を実現した.これまでに検討したGaInNAsとの組み合わせによる,GaAs基板上長波長レーザの実現の可能性を拓いた.

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】3,700千円 (直接経費: 3,700千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】13355015 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

微小共振器 / 量子ドット / 強化ガリウム / 面発光LED / 面発光レーザ / MOCVD / 結晶成長 / デバイスプロセス / 窒化ガリウム / GaN / InGaN / 半導体レーザ / 量子井戸 / 化合物半導体

【研究成果の概要】

電流注入型窒化物半導体青色面発光レーザの実現に向けた基盤技術の確立をはかった。本年度の主な成果は下記の通りである。
1.高反射率n型AlGaN/GaN分布ブラッグ反射鏡(DBR)の作製
GaN層結晶成長時のキャリアガス流量を最適化し、面内均一性の改善に成功した。また、成長温度の誤差変動を1℃単位で補正し、DBRの膜厚揺らぎを抑制した。これらの結果、ノンドープDBR(33周期)上にn型DBR(9周期)を積層したAlGaN/GaN DBRにおいて99%以上の反射率を得ることができた。すでに同等の反射率のDBRを用いた窒化物面発光レーザにおいて室温光励起発振が実現しており、電流注入型青色面発光レーザの実現が大いに期待される。
2.InGaN活性層の発光効率改善
室温フォトルミネッセンス(PL)発光強度の障壁層Siドーピング量依存性を調べて、成長条件の最適化を進めた。Siドーピング量を高めるにつれてPL発光強度が増大し、ノンドープのものより4桁以上高い強度に達した。Siドープによって生じたキャリアがInGaN井戸層内の内部電界の遮蔽をもたらし、電子と正孔の波動関数の重なりが増したものと考えられる。一方、Siドーピング量をある値以上に増やしてもPL発光強度のさらなる増大は観測されなかったが、これは内部電界の遮蔽が飽和に至ったものと考えることで定性的には説明できる。
3.窒化物半導体面発光デバイスプロセスの開発
基板密着性に優れ、逆メサ形状を有する2層レジスト工程を開発した。ベークしたAZ1500上にAZ5206Eを塗布し画像反転プロセスを行うと、レジスト流れも無く、かつ逆メサ形状を有するパターンの形成が可能である。レジストの濡れ性がよくない窒化物半導体上の微細メタルリフトオフプロセスへの応用が可能であり、窒化物面発光レーザの高密度アレイが高い歩留まりで信頼性よく作製できる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】49,660千円 (直接経費: 38,200千円、間接経費: 11,460千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】11555091 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ構造 / 量子ドット / 量子細線 / 量子井戸薄膜 / 量子準位 / 光学遷移 / 電子散乱 / 赤外光 / 量子(井戸) / エネルギー準位 / 中赤外光 / シュタルク効果 / 光イオン化 / 自己形成 / 単一ヘテロ構造 / 伝導特性 / メモリ素子 / 赤外検出器 / ボロメータ / 光学フォノン

【研究成果の概要】

10nm級の量子(井戸)薄膜・量子細線・量子ドットなど半導体ナノ構造において、その内部に形成される一連のエネルギー準位やサブバンドの関与する電子の光学遷移や散乱過程を制御する手法を探索するとともに、光変調デバイスへの応用可能性を探る研究を進め、以下に示す知見を得た。
まず、量子ドットに関しては、(1a)積層ドットに電界を加えた時の光吸収スペクトルの解析を進め、禁制遷移の寄与や吸収線の幅や高さを制御する可能性を示した。また、(1b)局所的歪みで誘起されるドット系において、蛍光スペクトルの形状がテラヘルツ電界の作用で大きく変調される現象の仕組みに考察を加え、隣接する薄膜内のキャリアがドットに流入することと、キャリアがドットへ接近して、ドット内のオージェ緩和を促進する機構が重要であることを指摘した。さらに、(1c)ドットをFETの伝導路の近くに配した構造での電子散乱過程を計測・解析し、ドット自身の引力的ポテンシャルの作用は、捕縛電荷による斥力ポテンシャルの作用によってある程度は減殺されるものの、支配的役割を果たすことなどを見出した。
量子細線に関しては、(2a)微傾斜基盤上に形成したステップ形の細線構造において異方的な電子散乱と光学特性の異方性の特色を明らかにした。また、(2b)メサ構造の稜線を用いたリッジ細線について、光学スペクトルの偏波依存性を調べ、細線構造のわずかな非対称性が大きな影響を及ぼすことなどを示した。
また、量子井戸薄膜のサブバンド吸収スペクトルに関しては、(3a)昨年度に検討した電子数依存性に関する知見を深めるとともに、(3b)量子井戸の界面凹凸が吸収線幅に及ぼす効果を詳細に調べ、移動度の測定解析から得られた知見と補完的な知見の得られることを示した。
なお、ゲート電界の作用でドット内の電子数を増減させ、この時生じるバンド間光学特性の変調効果については、理論解析を進めたが、実験的検証は今後の課題に留まった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2001

【配分額】12,600千円 (直接経費: 12,600千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】10305028 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 量子カスケードレーザ / 半導体レーザ / MOCVD / MBE / ナノ構造 / 量子井戸 / ヘテロ構造

【研究成果の概要】

本研究は,将来の集積電子素子と光素子の融合を目指して、ユニポーラーキャリア動作に基づいた量子カスケード構成による1.5μm波長帯の半導体レーザを実現するための、半導体ヘテロ構造について、結晶成長技術および物理的基礎を中心に研究を行うことを目的としている。
伝導帯において大きなバンド不連続性を実現することが可能なGaN/AlGaN系におけるサブバンド間遷移について研究に取り組んだ。まず、AlGaN/GaN単一ヘテロ構造をサファイア基板上に常圧MOCVD法により結晶成長を行った。電子移動度は室温で理論的限界といわれる2000cm2/V.secをほぼ達成した。これは、界面が良質であることを示すものである。
この単一ヘテロ接合構造において、FTIRにより吸収測定を行ったところ、約270meVのところに吸収ピークが得られた。これは第1サブバンドと第2サブバンドのエネルギー差に対応しており、この値は、AlGaAs/GaAs単一ヘテロ接合においては約30meVであるのと比較すると、約一桁大きいものである。これはピエゾ分極の効果によるものである。
さらに、AlGaN/GaN量子井戸において、井戸幅、量子井戸数を変えながら、サブバンド間吸収を測定した。量子井戸の数依存性においては、量子井戸の数が増大すると、歪の緩和が起こる様子が、吸収ピークのエネルギーシフトから明らかになった。また、井戸幅を狭くすることにより、吸収ピークが短波長にシフトすることを見出した。現時点で、最短の波長は1.7μmであり、光通信に適した波長にかなり近づけることが出来た。
これらの結果は、光通信波長帯における量子カスケードレーザやスイッチの実現のの基盤技術の確立の向けてきわめて重要な結果である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】39,000千円 (直接経費: 39,000千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】08555081 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 微小共振器 / 量子井戸 / テラヘルツ電磁波 / 量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / レーザ / 化合物半導体 / 光デバイス

【研究成果の概要】

情報通信技術の発達はさまざまな電磁波領域の開拓を必要としてきている。これは単に情報量の増大のみならず、さまざまな情報のやりとりを実現するために要請されてきている。
本試験研究では、21世紀のテラビット級情報ネットワーク構築をめざした基礎技術として、コヒーレント・テラヘルツ電磁波発生のための半導体集積デバイスの開発研究を行い、テラヘルツもしくはフェムト秒テクノロジーという研究分野の実用化に寄与することをはかった。まず、絶縁性GaAs基板上にGaAsを低温成長しその表面および基板裏面に光導伝ダイポールアンテナを集積化し、フェムト秒レーザパルスを用いたポンププローブ法により、テラヘルツの発生と検出を行った。その結果感度を2.5倍向上させることができた。この結果は本素子の有効性を示すものである。さらに新しい原理のデバイスとして、半導体微小共振器と多重量子井戸を面型に組み合わせたしたコヒーレント・テラヘルツ電磁波発生用半導体集積デバイスを提案し素子設計を行った。また、これにもとづきMOCVD結晶成長により素子の試作を行った。その基礎実験を行った。本素子は、半導体量子井戸を有する微小共振器においてわれわれが1992年に世界に先駆けて見い出した励起子ポラリトン効果(量子井戸中の励起子と微小共振器中の光子のコヒーレント相互作用による真空ラビ振動)を利用したものである。フェムト秒分光システムによりポンプ・プローブ法により反射スペクトルを観測することにより、光を搬送波とする2テラヘルツ程度のテラヘルツ振動を観測することに成功した。
本研究により、集積テラヘルツ電磁波発生システムの基礎付けが行われ、マイクロ波フォトニクスにおける新たな展開をもたらす可能性を示唆することができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】17,400千円 (直接経費: 17,400千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】06452103 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコンゲルマニウム / 量子井戸 / 量子細線 / 量子ドット / 隣接閉じ込め構造 / 間接遷移型半導体 / 超格子

【研究成果の概要】

本研究では、次世代の高機能半導体集積回路として期待される、光電子集積回路の実現に大きく寄与すると予想される、良質な光学特性を有するシリコン系超構造半導体の開発に取り組んだ。その結果、Si/pure-Ce/Si量子井戸において成長様式と光学特性に強い相関があることが明らかになった。Geの量変化に対する2次元量子井戸の発光ピークの変化(量子閉じ込め効果)、島に付随した発光帯の出現、の両者を観測することにより、島状成長の臨界膜厚は3.7MLと求められた。島からの発光にも量子閉じ込め効果が観測され、量子ドット的な性格を持つことがわかった。また、室温においても量子ドットからの発光が観測された。1.0ML以下のGe層の光学特性について詳細に調べたところ、成長方向への厚みは一定であるにも関わらずエネルギーシフト(量子閉じ込め効果)が観測された。これはステップ端に集まったGe細線の幅の変化によるもの、即ち面内量子閉じ込め効果であることがわかった。Geの量が0.37ML以上下の試料に関して励起子分子の形勢、状態密度の増加が見られた。これらはGe量子細線の形成によるものと考えられる。また、成長様式の変化によって生じた島が、周囲の構造に歪みを印加しポテンシャル変調を引き起こすこともわかった。また、隣接閉じ込め構造という、電子と正孔を空間的に分離して閉じ込める新しい量子構造を提案し、SiGe系およびAlGaP系において飛躍的に発光効率を向上させることを示した。特にSiGe系においてはフォノンを介在しない発光が選択的に強くなり、今後の発光デバイスへの応用は期待できる。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】4,000千円 (直接経費: 4,000千円)

【研究分野】電子機器工学

【研究領域課題番号】04555083 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体レーザ / 量子細線 / MOCVD / 微小共振器 / 半導体レ-ザ / 量子マイクロ構造 / 量子井戸 / 量子ドット / ガリウムひ素 / インジウムガリウムひ素

【研究成果の概要】

21世紀の超高速大容量光情報伝送や光情報処理の実現のためには、時間軸と空間軸の両方において高密度化が可能な光源の開発が不可欠である。これまで、空間軸上では、面発光レーザを用いた2次元集積アレイ化が試みられている。しかし、消費電力を抑えるためにしきい値電流を下げるという課題が残っている。一方、時間軸上では100GHz以上の変調が必要であるが実現の道はそれほど近くはない。
本研究では、本研究代表者のこれまでの研究実積に基づき、量子細線レーザーの実現のための作製技術の確立をはかり、このレーザが超高密度(時間的・空間的)集積光システムの中心になり得ることを実証することをめざしてきている。本研究により、次世代の集積超レーザのあり方が浮き彫りになるとともに、ナノ構造デバイスの実用化の道を切り開くことができる。
本年度は、MOCVD選択成長によりファブリペロ-共振器を有する歪量子細線レーザを作製し、光励起実験を低温で行った。さらに、これらの技術を踏まえて、垂直微小共振器構造を有する歪量子細線レーザを試作することに成功した。微小共振器効果が存在することを、フォトルミネッセンス測定を通じて確認するとともに、77Kにおいて光励起実験を行った。これらの結果は、電子と光子を3次元的に閉じ込めた突極のレーザである「微小量子レーザ」の実現への第一歩として位置付けることができ、また、実用化への道を開くものである。当初の目的は十分達成されたと考えられる。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】12,100千円 (直接経費: 12,100千円)