量子井戸サブバンド間遷移を用いた窒化物半導体モノポーラ光デバイスの基礎研究

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09750389
• 研究機関: 上智大学
• 研究代表者: 菊池 昭彦 上智大学, 理工学部電気電子工学科, 助手 (90266073)
• キーワード: ガリウムナイトライド / アルミニウムナイトライド / 量子準位間遷移 / 結合量子井戸 / 光通信用素子 / 分子線エピタキシー

研究概要

窒化物半導体であるGaNとAlNの大きな伝導帯オフセットを近赤外光領域における量子準位間遷移光デバイスへ適用し、優れた耐環境性や波長安定性を有する光デバイスの開発を目指し、分子線エピタキシー(MBE)法による窒化物半導体結晶成長に関する研究を行った。
1. MEE法によるGaNの高品質化
Ga原子の表面拡散を促進するMigration Enhanced Epitaxy(MEE)法によりGaNを成長するとピット等の無い良好な表面モホロジーが得られることを見出した。MEE法で成長したGaN上に通常のMBE法でGaN:Siを成長した。室温ホトルミネッセンス半値全幅は31meV、室温移動度は372cm^2/Vs(キャリア濃度1.2x10^<17>cm^<-3>)であり、MBE法でAl_2O_3基板上に成長したGaNでは最高レベルの値が得られた。
2. GaNの2.6μm/hr高速度成長
基板面への活性窒素供給量を増加することにより、2.6μm/hrというMBE法では世界的にも例を見ない高速度でGaNの成長を行った。高速度で成長したGaN結晶の品質は、電気的・光学的特性から見ても低成長速度の場合に対し遜色無く、MBE法による厚膜光デバイスの作製が可能であることを示した。
3. InGaN/GaN多重量子井戸、GaN/AlN超格子の試作
Gaを連続照射中に活性窒素を断続的に供給するシャッター制御法を用いて15周期のInGaN/GaN多重量子井戸構造を作製したところ、基板温度750℃という高温でもInの取込みが確認され、ヘテロ界面での成長中断無しでデバイス構造の作製が可能であることが示された。X線回折測定では明瞭な高次回折ピークが観察され、良好な界面と周期性を有する多重量子井戸構造の形成が確認された。また、GaNはシャッター制御法、AlNはMEE法を用いてGaN/AlN超格子を成長し、RHEED観測により平坦な成長が行われていることを確認した。
4. GaN結晶の表面モホロジーの改善
MBE法により成長したGaN結晶は一般に反転ドメイン構造を多く含む窒素極性膜であり、窒素極性膜は表面の平坦性や化学的な安定性でGa極性膜に劣る。ここでは成長初期過程の制御でMBE法でもGa極性を持つ極めて平坦でピット等の無いGaNをAl_2O_3基板上に成長する可能性を見出した。今後はこのGa極性膜を用い、周期の異なるGaN/AlN超格子構造を作製し、ヘテロ界面の評価や量子準位間遷移の光物性の測定等を行う。

研究成果

• [文献書誌] A.Kikuchi et al.: "Shutter control method for control of Al contents in AlGaN quasi-ternary compounds grown by RF-MBE" journal of Crystal Growth. 189/190. 109-113 (1998)
• [文献書誌] N.Fujita et.al.: "Epitaxial growth of GaN with a high growth rate of 1.4μm/hr by RF-radical source molecular beam epitaxy" Journal of Crystal Growth. 189/190. 385-389 (1998)
• [文献書誌] K.Kishino et.al.: "High-Speed GaN growth and compositional control of GaN-AlGaN superlattice quasiternary compounds by RF-radical source molecular beam epitaxy" IEEE J.Selected Topics in Quantum Electronics. 4. 550-556 (1998)
• [文献書誌] K.Kushi et al.: "High-speed growth of device-quality GaN and InGaN by RF-MBE" Material Science and Engineering:B. (1999)
• [文献書誌] K.Kushi et.al.: "High-speed growth of device-quality GaN and InGaN by RF-MBE" Book of Abstract E-MRS 98,Strasbourg,France. L-V.3. L-7 (1998)
• [文献書誌] H.Sasamoto et.al.: "Effect of initial process in formation of grain structure in GaN growth by RF-MBE" Proc of 2nd Int.Symp.on Blue LD and LED,Kazasa,Chiba. 520-530 (1998)
• [文献書誌] S.Nakamura et al.: "2.6um/hr high speed growth of GaN by RF-radical molecular beam epitaxy" 16th Semiconductor Laser Symposium(International). 8 (1998)
• [文献書誌] 杉原大輔 他: "RF-MBE法によるMEE成長バッファ層を用いたGaNの高速度成長" 電子情報通信学会 Technical Report of IEICE. ED98-137. 25-32 (1998)
• [文献書誌] 菊池昭彦 他: "ナイトライド系発光デバイスの最近の動向とRF-分子線エピタキシー法によるGaNの高速度成長技術" 電気学会 光・量子デバイス研究会資料. QED-98-51. 1-7 (1998)
• [文献書誌] 杉原大輔 他: "RF-MBE法によるMEEGaNバッファ層上のGaN:Si成長" 第59回応用物理学会学術講演会. 17p-YB-12 (1998)
• [文献書誌] 佐々本一 他: "RF-MBE法によるGaNのグレイン構造形成に対する初期処理効果" 第59回応用物理学会学術講演会. 17p-YB-8 (1998)
• [文献書誌] 杉原大輔 他: "RF-MBE法によるGaN高速度成長とシャッター制御法" 第46回応用物理学関係連合講演会. 24p-L-4 (1999)
• [文献書誌] 中村進一 他: "RF-MBE法によるp型GaNとInGaN/InGaN MQWの成長" 第45回応用物理学関係連合講演会. 28p-L-14 (1999)