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半導体半金属混晶GaAsBiの禁制帯幅は、小さい温度依存性を有することが実証されている。本研究では、この特性を活用して発振波長が温度に依存しない半導体レーザを得ることを最終目的としている。
BiはGaAsと混ざりにくいため、GaAsBiは準安定な状態下でなければ成長させることができない。そのためGaAsBiは、350℃の低温で成長させる必要がある。これまで、350℃もの低温で成長させたIII-V族半導体からレーザ発振を確認したという報告はなく、GaAsBiからレーザ発振が得られるかどうかはこれまで明らかではなかった。
当該年度、GaAsBiの分子線エピタキシャル(MBE)成長条件の最適化を図り、GaAsBiの高品質化を進めたことで、350℃で成長したBi含有率2.5%のGaAsBiから光励起によるレーザ発振を得ることに世界に先駆けて成功した。また、その発振波長の温度係数が、GaAsの禁制帯幅の温度係数の約40%に低減されることを実証した。今後Bi含有率を増加させることで温度係数をさらに低減できると予想している。当該年度の成果は、GaAsBiを用いた発振波長が温度に依存しない半導体レーザの実現が可能であることを初めて実証したものである。
Bi原子は従来、III-V族半導体のMBE成長などでサーファクタントとして用いられており、容易に表面偏析することが知られている。これまでGaAsBiにおけるBi原子の表面偏析が懸念されてきた。当該年度、高分解能X線回折装置を用いて、最適なMBE成長条件下で製作したGaAsBi/GaAs多重量子井戸の構造評価を行った。その結果、高分解能X線回折装置では極端な偏析は検知できなかった。平坦な界面を有するGaAsBi/GaAs多重量子井戸が製作できることを実証した。
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