サブバンド間遷移を用いた光通信域光半導体の基礎的研究

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14205057
• Research Institution: Sophia University
• Principal Investigator: 岸野 克巳 上智大学, 理工学部, 教授 (90134824)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 野村 一郎 上智大学, 理工学部, 助手 (00266074) ; 菊池 昭彦 上智大学, 理工学部, 助手 (90266073)
• Keywords: 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 / 超格子 / 光集積回路 / ポンププローブ法

Research Abstract

本研究では、ナノスケール領域で発現されるサブバンド間遷移(ISBT)を基礎とする新しい光通信域半導体材料の開発を目指している。本年度は、分子線エピタキシー(RF-MBE)法によるAlN/GaN超格子結晶の高品質化と光デバイス作製に向けた基礎実験を行った。
極限の平坦性を有するAIN/GaN超格子結晶成長のキーとなるサファイア基板上AlN結晶の成長条件を把握し、表面粗さRMS値0.2nmという原子レベルの平坦性を達成した。
光通信波長である1.55μm付近において、サファイア基板上GaN/AlN超格子結晶にSiO_2ストライプを形成したリブ導波路でのISBT吸収の偏波依存性の観測、キャリア濃度波長1×10^<18>cm^<-3>〜3×10^<20>cm^<-3>という広い範囲におけるISBT吸収係数のキャリア濃度依存性の測定、および自由キャリア吸収係数のキャリア濃度依存性の測定を行った。また、AlN/GaN超格子結晶の三次非線型感受率をブリュースター角入射法で測定し、5.5x10^<-18>m^2/V^2という値を得た。
サファイア基板上AlN/GaN超格子導波路に紫外光を照射してISBT吸収を制御し、1.55μmの信号光を変調する光-光変調実験に成功した。また、AlN/GaN超格子を用いたISBT受光素子を試作し、室温受光動作に初めて成功した。
ISBT半導体の新しいアプローチとして、より大きな伝導帯バンド不連続を実現可能なInGaN系材料に注目し、RF-MBE法によるInNおよびInリッチInGaN結晶の成長条件の把握と高品質化、フォトルミネッセンス(PL)法と光吸収法による禁制帯幅の評価を行った。さらに、In_<0.9>Ga_<0.1>N/In_<0.75>Ga_<0.25>Nダブルヘテロ構造からの波長1.4μmにおける室温PL発光の観測にも成功した。また、GaN、AlNおよびInNの波長2.5μmまでの赤外域屈折率を光干渉法により明らかにした。

Research Products

• [Publications] A.Kikuchi et al.: "Response to "Comment on 'AlN/GaN double-barrier resonant tunneling diodes grown by rf-plasma-assisted molecular-beam epitaxy'"Applied Physics Letters. 83・17. 3626-3628 (2003)
• [Publications] J.Hamazaki et al.: "Ultrafast intersubband relaxation and nonlinear susceptibility at 1.55 μm in GaN/AlN multiple quantum wells"Applied Physics Letters. 84・7. 1102-1104 (2003)
• [Publications] A.Kikuchi et al.: "High optical quality InGaN/GaN multiple quantum disks on GaN nano-columns grown by rf-plasma assisted molecular beam epitaxy"Technical Program of 45th Electronic Materials Conference. 61 (2003)
• [Publications] J.Hamazaki et al.: "Ultrafast intersubband relaxation at 1.55μm in GaN/AlN MQWs"7th Int.Conf. on Intersubband Transition in Quantum wells. E9 (2003)
• [Publications] M.Kawai et al.: "High-quality InN grown by rf-plasma assisted molecular beam epitaxy as novel materials for optical communication"Proceedings of the 5th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-optics. 1. 344 (2003)
• [Publications] J.Hamazaki et al.: "Ultrafast intersubband relaxation at 1.55 μm in GaN/AlN MQWs"Proceedings of the 5th Pacific Rim Conference on Lasers and Electro-optics. 2. 548 (2003)
• [Publications] T.Ohashi et al.: "Growth and characterization of InGaN double heterostructures for optical devices at 1.5-1.7 μm communication wavelength"Abstracts of the 5th International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes. 41-42 (2004)
• [Publications] A.Kikuchi et al.: "Stimulated emission from GaN nano-columns"Abstracts of the 5th International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes. 71-72 (2004)
• [Publications] 川井 瑞恵 他: "RF-MBE法によるInNの結晶成長とナノ構造の作製"電子情報通信学会 技術研究報告. 103・341. 33-37 (2003)
• [Publications] 石井 洋平 他: "GaN/AlN超格子におけるISBT吸収係数のキャリア濃度依存性"電子情報通信学会 技術研究報告. 103・612. 29-33 (2004)
• [Publications] 浜崎 淳一 他: "GaN/AlN多重量子井戸におけるサブバンド間遷移の吸収飽和と高速緩和過程"日本物理学会2003年度秋季大会 講演予稿集. 21p-SB-2 (2003)
• [Publications] 森田 高行 他: "RF-MBE成長GaNの貫通転位密度に対するAlNバッファ層の影響"第64回応用物理学会学術講演会 講演予稿集. No.1. 30a-F-2 (2003)
• [Publications] 菊池 昭彦 他: "GaNナノコラムおよびInGaN/GaN多重ヘテロ構造ナノコラムの光学特性"第64回応用物理学会学術講演会 講演予稿集. No.1. 30a-G-6 (2003)
• [Publications] 川井 瑞恵 他: "RF-MBE法によるN極性GaN上InNの電気特性のV/III比依存性"第64回応用物理学会学術講演会 講演予稿集. No.1. 31p-G-3 (2003)
• [Publications] 大橋 達男 他: "RF-MBE法によるInN/GaN/InNヘテロ構造ナノコラム結晶の成長"第64回応用物理学会学術講演会 講演予稿集. No.1. 31P-G-9 (2003)
• [Publications] 石井 洋平 他: "GaN/AlN超格子におけるISBT吸収のキャリア濃度依存"第64回応用物理学会学術講演会 講演予稿集. No.1. 1a-G-6 (2003)
• [Publications] 山野 晃司 他: "AlN/GaN二重障壁共鳴トンネルダイオードのシミュレーション解析"第64回応用物理学会学術講演会 講演予稿集. No.1. 2a-G-7 (2003)
• [Publications] 松井 聰 他: "GaN/AlN多重量子井戸構造のサブバンド間遷移を用いた光制御光変調"第51回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集. 31a-YN-6 (2004)
• [Publications] 菊池 昭彦 他: "GaNナノコラム結晶からの低閾値光励起誘導放出"第51回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集. 28p-YN-11 (2004)
• [Publications] 山野 晃司 他: "GaN/AlN超格子構造を有するナノコラム結晶のRF-MBE成長"第51回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集. 28p-YK-11 (2004)
• [Publications] 大橋 達男 他: "1.5μm光通信波長帯におけるInGaNダブルヘテロ構造の成長と評価"第51回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集. 29a-YN-9 (2004)
• [Publications] 光野 徹也: "InN及びGaNの光通信波長帯屈折率の測定"第51回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集. 29p-YN-17 (2004)
• [Publications] 森田 高行 他: "RF-MBE法によるC面及びR面Al_2O_3基板上AlNのMBE成長"第51回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集. 30p-YN-8 (2004)