光子再利用効果を用いた半導体レーザの研究

1994 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 05650016
• 研究機関: 徳島大学
• 研究代表者: 酒井 士郎 徳島大学, 工学部, 教授 (20135411)
• キーワード: シリコン上ガリウム砒素 / フオトンリサイクリング / 微少共振器 / 転位 / 半導体レーザ / UCGAS / シリコン上レーザ / 残留応力

研究概要

ガリウムソン(GaAs)をSi基板の上に成長すると、格子定数と熱膨張係数の差により歪が発生し、それが発光素子の寿命を著しく短くする。この問題解決のため、本研究者はUCGAS構造を提案し、既に3000時間を越える寿命を持つ発光素子を実現してきた。この構造ににおいては、薄いダブルヘテロ構造が、上面を金属電極に、下面を空気によって挟まれているので、光子は上下面で反射を受け、活性層で再吸収され光子として再放出される(光子再利用効果)。本研究は、この光子再利用効果の確認とそのレーザへの応用を目的として行われた。シリコン上発光素子と光子再利用効果についてそれぞれ研究を行った。
シリコン上発光素子については、外部応力により転位を動かせるという研究を行い、これに初めて成功した。これは、現在の転位密度が10^5cm^<-2>台まで下がっていること、この値が通常のデバイス寸法より大きい30μmに一個の転位に相当すること、を考えると重要な意味を持つ。すなわち、GaAs on Si技術の応用に当たっての問題点は、もはや転位密度ではなく、むしろその位置であるということである。転位の位置が制御できれば、無転位部にデバイスを作製できる。今回成功したこの実験は、転位の位置制御を可能とするもので、いわば転位操作と呼ぶことができる。
また、光子再利用効果をさらに大きく発現させるための構造作製を行なった。まず、成長メカニズムの理論的検討から開始し、部分的に球面状にエッチングしたシリコン基板上にMOCVD成長を行った。直径5μm以下の穴の中にGaAsの選択成長を行い、成長条件により成長後の表面を平らにしたり、ある程度の極率を持たせることができた。しかし、完全な球面は得られておらず、光の散乱損をかなり受けることから、今後さらなる検討が必要である。
以上の研究成果は、単に光子再利用への応用に限らずGaAs、Si混在型光IC作製などの基盤技術の一つとなりうるものと考えている。

研究成果

• [文献書誌] S.Sakai: "Bandgap Energy of Nitride Alloys And MOCVD Growth of GaN" 12th Record of Alloy Semiconductor Physics and Electronics Symposium. 327-330 (1993)
• [文献書誌] 酒井士郎: "シリコン上集積化光源" 電子情報通信学会誌. 76. 918-922 (1993)
• [文献書誌] S.Sakai: "Band Gap Energy and Band Lineup of III-V Alloy Semiconductors Incorporating Nitrogen and Boron" Jpn.J.Appl.Phys.32. 4413-4417 (1993)
• [文献書誌] S.Sakai: "Monolithic III-V Light-Emitting Devices on Si Substrates" Fiber and Integrated Optics. 13. 31-44 (1994)
• [文献書誌] N.Wada: "Degradation Mechanism and Dislocation Dynamics in GaAs Light Emitters Grown on Si Substrate" Extended Abstracts of the 1993 Int.Conf.on Solid State Devices and Materials. 679-699 (1993)
• [文献書誌] N.Wada: "Photoluminescence Dark Spot Dynamics in GaAs Grown on Si" Jpn.J.Appl.Phys.33. 864-868 (1994)
• [文献書誌] N.Wada: "Thermal Stress and Dislocation Density in Undercut GaAs on Si" Jpn.J.Appl.Phys.33. 976-985 (1994)
• [文献書誌] N.Wada: "GaAs/AlGaAs Light Emitters Fabricated on Undercut GaAs on Si(UCGAS)" Jpn.J.Appl.Phys.33. 1268-1274 (1994)
• [文献書誌] S.Sakai: "Selective Lateral Growth Mechanism of GaAs by Liquid-Phase Electroepitaxy" Jpn.J.Appl.Phys.33. 23-27 (1994)
• [文献書誌] Y.Ueta: "MOCVD Growth of GaN on III-V,Si and GaAs-Coated Si Substates" "Control of Semiconductor Interfaces",Ed.by I.Ohdomari,M.Oshima and A.Hiraki,(Elsevier,Amsterdam,1994). 477-482 (1994)
• [文献書誌] Y.Ueta: "Acceptor Binding Energy and Band Lineup of III-V Nitride Alloys and MOCVD Growth of GaN on GaAs- or GaP Coated Si" Proc.of the Material Research Society. 339. 459-463 (1994)
• [文献書誌] Y.Naoi: "Stress Distribution and Dislocation Dynamics in GaAs Grown on Si by MOCVD" J.Crystal Growth. 145. 321-325 (1994)
• [文献書誌] Y.Uera: "XPS Study of GaN and GaP Surfaces Annealed in PH3 and NH3 and MOCVD Growth of GaN/GaP Heterostructures" J.Crystal Growth. 145. 203-208 (1994)