3次元マイクロ共振器を有する量子井戸レ-ザの基礎研究

1990 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 02650283
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 荒川 泰彦 東京大学, 先端科学技術研究センター, 助教授 (30134638)
• 研究分担者: 藤井 陽一 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (00013110) ; 榊 裕之 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (90013226)
• キーワード: 量子細線 / 量子井戸箱 / MOCVD / 電子ビ-ム / GaAs / バンド理論 / 半導体レ-ザ

研究概要

電子は量子力学的な効果により波動としての性質を示す。半導体微細加工技術の進展に伴い、このような電子の波動性に基づく新しい物理現象(量子サイズ効果)の出現とそのデバイス応用の道がひらき始めている。しかし、現在の量子サイズ効果は主として分子線エピタキシ-法(MBE)や有機金属気相成長法(MOCVD)などのエピタキシャル成長により作製された超薄膜構造中で観測されており、1次元的方向(膜厚方向)に限られている。もし超細線(量子細線)や超微小箱(量子井戸箱)ができ、2次元・3次元的に電子の波動関数の制御が可能となれば、新しい量子効果を実現でき、いわゆるマイクロスケ-ル物理への新しい道を拓くと考えられる。しかし、これまでリソグラフィ技術を用いてこのような多次元量子マイクロ構造の作製の試みがなされてきたが、100オ-ダで精度よく実現することは不可能であった。この問題を克服するためには何らかの化学的選択成長が不可欠であると考えられる。
本研究では、有機金属気相成長法(MOCVD法)によるエピタキシャル成長中に、基板上に細く絞った電子ビ-ム(〜5nm)を照射し、照射部分のみを選択的に結晶成長することを試みた。この成長技術(電子誘起MOCVD法)が確立されれば、種々の混晶半導体や不純物濃度の異なった領域を数nmの解像度で作成することが可能になる。また、この結果、TMG、TMA、およびTMGとAsH3などを原料とすることにより、幅1000A程度の細線構造をそれぞれ実現することに成功した。形成メカニズムとしては、基板表面に吸着した有機系原料が、電子ビ-ムにより分解される過程が主となっていると考えられる。また、別な方法として、電子ビ-ム描画法で作製したSiO2パタ-ン上に通常の減圧MOCVD成長を行い、結晶方位に注意しながらAlGaAsとGaAsを交互に成長することにより、細線構造の形成を試みた。その結果、300A^^°程度の埋め込み型細線構造の形成に成功した。さらに、量子井戸箱構造を伴う超高性能半導体レ-ザなどの特性について、強結合法を用いたバンド理論を駆使して解析を行なった。本研究で獲られた成果は、次世代光デバイスの新しい展開をはかるうえできわめて重要なものと考えられる。

研究成果

• [文献書誌] T.Takahashi,Y.Arakawa,M.Niahioka and T.Ikoma: "“A Novel Selective Growth Technology for Quantum Microstructure Fabrication:Electron Beam Induced MOCVD"" 1990 Fall Meeting of the Materials Research Society,November 1990,Boston,USA. (1990)
• [文献書誌] S.Tsukamoto,Y.Nagamune,M.Nishioka and Y.Arakawa: "“High Dense Buried GaAs Trigonal Prismーlike Quantum Wire Arrays by Metal Organic Chemical Vapor Deposition"" to be presented in The 7th International Conference on Vapor Growth and Epitaxy,July 1991,Nagoya,Japan. (1991)
• [文献書誌] T.Yamauchi,Y.Arakawa,and J.N.Schulman: "“Tightーbinding analysis of the conductionーband structure in quantum wires,"" Appl.Phys.Lett.57,pp.1224ー1226,1990. 57. 1224-1226 (1990)
• [文献書誌] Y.Arakawa,T.Yamauchi,and J.N.Schulman: "“Tightーbinding analysis of energyーband structures in quantum wires,"" to be published in Phys.Rev.B43,February 1991. 43. (1991)
• [文献書誌] Y.Arakawa,T.Yamauchi,and J.N.Schulman: "“Energy band structures in strained quantum wires"" submitted to Phys.Rev.B. (1991)
• [文献書誌] T.Yamauchi,Y.Arakawa,and M.Nishioka: "“Enhanced and Inhibited Spontaneous Emission in GaAs/AlGaAs Vertical Microcavity Lasers with Two Kinds of Quantum Wells,"" to be published in Appl.Phys.Lett.(1991)