2017 Fiscal Year Annual Research Report
ビスマス含有狭バンドギャップ半金属半導体混晶の創製とフォトニックデバイスへの応用
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16H02105
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
吉本 昌広 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 教授 (20210776)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西中 浩之 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 助教 (70754399)
上田 大助 京都工芸繊維大学, グリーンイノベーションセンター, 特任教授 (60540424)
山下 兼一 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 教授 (00346115)
石田 秀俊 京都工芸繊維大学, グリーンイノベーションセンター, シニア・フェロー (00572009)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 半導体 / 半金属 / 分子線エピタキシー / 結晶成長 / 半金属半導体合金 / レーザダイオード |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ビスマス含有半金属半導体混晶はGaAsやInP基板に格子整合しながら禁制帯幅が0.3から１.4 eVをカバーしたⅢ-Ⅴ族半導体である。この半導体は、Biの混入による大きなナローギャップ効果、禁制帯幅の温度無依存化、大きなスピン軌道相互作用などの特異な物性を示す。この混晶は非平衡状態でのみ製作できる結晶材料であるので、結晶材料でありながらその電子物性は、製作の方法と条件に依存している。真の物性は未だ明確ではない。本研究では、格子整合しながら高品位かつ高ビスマス組成のビスマス含有半金属半導体混晶を創製し、その真の物性を明確にし、その特性を活かしたフォトニックデバイスへの応用を切り開くことを目的としている。
平成28年度に、GaNAsBi混晶を分子線エピタキシー法で結晶成長するために、窒素プラズマセルと、デバイス作成のためのn形ドーパント用セルの準備を進めた。また、GaAsBiの基礎物性を解明するために、分光感度測定による局在準位の評価を進めた。
平成29年度は、n形ドーパント用セルを用いて、レーザ構造における直列抵抗の低減に向けて構造と製作条件の最適化を進めた。新たに化学気相堆積装置を用いて高品質の絶縁膜を堆積し、レーザダイオードの電流狭窄構造の特性を改善した。
GaAsBiでデバイスを作成した場合、GaAsBi中の裾（テイル）準位が特性劣化をもたらす。具体的には、テイル準位が多いと、レーザダイオードの場合しきい値電流が増大し、太陽電池の場合、開放電圧が低下する。GaAsBiのテイル準位密度を評価した。GaAsBiの成長温度が10℃程度低下するだけで、テイル準位が大幅に増大することや、テイル準位密度のGaAsBi膜厚依存性やBi組成依存性を明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
GaAsBiの基礎物性の解明については、特に、研究グループ間で特性が揺らぐ主因と考えている局在準位の定量的な解明が順調に進んでいる。これによりGaNAsBiを高品質化する基本データが取得できている。レーザダイオードの製作プロセスの改善については、ドーパントの変更と化学気相堆積法を用いた高品質の絶縁膜の成膜を終えており、順調に進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに得た裾準位に関する知見をもとに、GaAsBiとGaNAsBiの高品質化に取り組む。レーザダイオードのしきい値低減については、これまでに改善した製作プロセス（ドーパントの変更、気相化学堆積膜の導入）を取り入れ、シミュレーション（T-CAD）で最適化したデバイス構造をもとに、しきい値電流の小さいGa(N)AsBiレーザダイオードの実現を目指す。
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