歪量子マイクロ構造を有する超高性能半導体レーザの基礎研究

1994 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 05452194
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 荒川 泰彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (30134638)
• 研究分担者: 高橋 琢二 東京大学, 先端科学技術研究センター, 講師 (20222086) ; 榊 裕之 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (90013226) ; 藤井 陽一 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (00013110)
• キーワード: 量子細線 / 量子箱 / 歪構造 / MOCVD / 量子ドット / 半導体レーザ / 微小共振器 / ステップエッジ

研究概要

21世紀は情報の時代であり、光が果たすべき役割に対する期待が大きい。大容量の情報の超高速光伝送や情報処理の実現のためには、時間軸上では100GHzあるいは1THzに近い速さで光情報を送り出すことが将来必要となるが、現時点ではきわめて困難である。本研究では、新たに「歪(ひずみ)」の効果を量子細線や量子ドットに導入することにより、半導体レーザの超高速化を図ることを目的として基礎研究を行う。そのために(1)歪量子細線や量子ドットなどいわゆる「歪量子マイクロ構造」の電子・光物性を理論的に究明するとともに、(2)これらの構造をMOCVD選択成長法を用いて実現する。さらにこれらの技術に基づき、(3)電子・光物性を実験的に明かにし、(4)歪量子マイクロ構造を有するレーザ(すなわち歪量子細線レーザおよび歪量子ドットレーザ)の実現を図り、このレーザが超高密度(時間的・空間的)次世代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す。本研究により、次世代の超高性能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現化の道が切り開かれることが期待できる。
本年度は歪量子ドットをMOCVD法を用いた自然形成法を用いて作製し、その光物性を明らかにした。そのサイズは15nmであり、この手法によって作製されたものとしては世界最小である。特に、自然形成法の問題点である位置の制御、密度の制御について研究をすすめた。特にステップバンチング現象を用いてマルチステップエッジを直線的に形成し、この上に量子ドットを成長させる。これにより量子ドットの配列化が可能となった。また同様な手法を用いてマルチステップエッジに歪み量子細線の形成にも成功した。さらに、この作製手法を用いて垂直型量子ドットレーザの作製を試みた。
本研究で得られた成果は次世代の半導体レーザの発展にきわめて有用である。

研究成果

• [文献書誌] R.J.Helkey: "“Cavity Optimization for Minimum Pulsewidth of Gain-Switched Semiconductor Lasers"" IEEE Photonics Technology Letters. Vol.7. (1995)
• [文献書誌] T.Kono: "“Exciton Radiative Lifetime in GaAs Quantum Wires grown by Metal Organic Chemical Vapor Selective growth"" Applied Physics Letters. Vol.64. 1564-1566 (1994)
• [文献書誌] M.Willatzen: "“Polarization Dependence of Optoelectronic Properties in Quantum Dots and Quantum Wires---Consequences of Valence-Band Mixing"" IEEE J.of Quantum Electronics. Vol.30. 640-653 (1994)
• [文献書誌] T.Arakawa: "“Fabrication of vertical-microcavity quantum wire lasers"" Applied Physics Letters. Vol.64. 2200-2202 (1994)
• [文献書誌] Y.Nagamune: "“GaAs Quantum Dots with Lateral Dimension of 25nm Fabricated by Selecrive Metal Organic Chemical Vapor Deposition Growth"" Applied Physics Letter. Vol.64. 2495-2497 (1994)
• [文献書誌] Y.Arakawa: "“Fabrication of Quantum Wires and Dots by MOCVD Selective Growth"" Solid-State Electronics. Vol.37. 523-528 (1994)
• [文献書誌] Y.Nagamune: "“Optical Properties of GaAs Quantum Dots Fabricated by MOCVD Selective Growth"" Solid-State Electronics. Vol.37. 579-581 (1994)
• [文献書誌] J.Oshowo: "“Highly uniform InGaAs/GaAs quantum dots(^-15nm)by metalorganic chemical vapor deposition"" Applied Physics Letters. Vol.65. 1421-1423 (1994)
• [文献書誌] T.Tanaka: "“Magneto-exciton in quantum wires confined with an anistropic parabolic potential"" Physical Review B. Vol50. 7719-7723 (1994)
• [文献書誌] T.Norris: "“Time-resolved vacuum Rabi oscillations in a semiconductor quantum microcavity"" Physical Review B. Vol.50. 14663-14666 (1994)
• [文献書誌] J.Oshinowo: "“Area Density Control of Quantum-Size InGaAs/Ga(Al)As Dots by Metalorganic Chemical Vapor Deposition"" Jpn.Journal of Applied Physics. Vol.33. L1634-L1637 (1994)
• [文献書誌] Y.Arakawa: "“Quantum Wires and Quantum Dots for Fully Confined Semiconductor Lasers"" Springer Series in Materials Science. Vol.31. 199-207 (1994)
• [文献書誌] T.Kono: "“Excutive Radiative Lifetime in GaAs Quantum Wires:Wire Width Dependence"" Springer Series in Materials Science. Vol.31. 140-144 (1994)
• [文献書誌] Y.Nagamune: "“Magneto-optical effect in GaAs quantum wires:wire width dependence"" Springer Series in Materials Science. Vol.31. 145-147 (1994)
• [文献書誌] S.Wakabayashi: "“Fabrication of AlGaAs/GaAs Multi-QWRS with 15nm Wire Width Using"" Springer Series in Materials Science. Vol.31. 194-196 (1994)
• [文献書誌] 荒川泰彦(分担): "“メゾスコピック現象の基礎(難波進編)"" オーム社, 13 (1994)
• [文献書誌] J.Osinowo: "“Highly uniform InGaAs quantum dots(15nm)by MOVPE on GaAs,Metalorganic Vapor Phase Epitaxy 1994"" North Holland Elsevier, 2 (1994)