二軸性歪を有する半導体量子細線・量子箱構造の試作およびその光デバイス応用

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10450115
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 荒井 滋久 東京工業大学, 量子効果エレクトロニクス研究センター, 教授 (30151137)
• キーワード: 半導体レーザ / 量子細線レーザ / 歪量子細線レーザ / 多重極微共振器レーザ / GaInAsP混晶 / 電子線リソグラフィー / 有機金属気相成長法 / ドライエッチング

研究概要

本研究では、通信用長波長半導体レーザの超低電流・高効率動作を実現することをめざしており、二軸性応力の加わった歪量子細線および歪量子箱構造の形成法を確立すると共に、これらの構造のサイズ揺らぎ要因の解明と低減を行うことを目的として行い、以下に挙げる成果を得た。
1) 電子線リソグラフィー、メタンと水素の混合ガスによるドライエッチングと2回の有機金属気相成長法によって、周期100nm、幅21nmの2層歪量子細線を活性層とするGaInAs/GaInAsP/InP多層歪量子細線レーザを世界で初めて実現した。室温動作におけるしきい値電流密度は、昨年度、湿式化学エッチング法で加工した単層歪量子細線レーザよりも3割程度低く、この作製法で試作された中で最も低い値となった。
2) さらに多層構造化を目指して元ウェーハ構造に改良を行い、周期120nm、幅42nmの一様なサイズを有する5層歪擬量子細線レーザを実現した。しきい値電流密度は、室温において540A/cm^2であり、5層歪量子井戸レーザのそれと同等の値が得られた。
3) 昨年度、湿式化学エッチング法で加工した単層歪量子細線レーザの利得スペクトルを測定し、理論解析との比較を行った結果、歪量子細線中でのバンド内緩和時間が歪量子薄膜中に比べて約50%長いことを明らかにした。
4) 本研究の極微構造形成法を用いて、5層歪量子井戸活性層が周期状に配置された分布帰還(DFB)レーザを試作し、低しきい値電流密度(330A/cm^2)を達成した。さらに量子井戸層数を2層に低減して活性層幅が90nmのDFBレーザを作製した結果、DFBレーザとして世界最低のしきい値電流密度(94A/cm^2)が実現され、100nm以下の極微構造に対する本作製法の低損傷性を実証した。

研究成果

• [文献書誌] T.Kojima: "Temperature Dependence of Internal Quantum Efficiency of 20nm-Wide GaInAsP/InP Compressively Strained Quantum-Wire Lasers"Jpn.J.Appl.Phys.. 38・1B. 585-588 (1999)
• [文献書誌] N.Nunoya: "Low Threshold GaInAsP/InP Distributed Feedback Lasers with Periodic Wire Active Regions Fabricated by CH_4/H_2 Reactive Ion Etching"Jpn.J.Appl.Phys.. 38・11B. L1323-L1326 (1999)
• [文献書誌] T.Kojima: "Evaluation of Optical Gain Properties of GaInAsP/InP Compressively Strained Quantum-Wire Lasers"Jpn.J.Appl.Phys.. 38・11A. 6327-6334 (1999)
• [文献書誌] N.Nunoya: "Characterization of Etching Damage in Cl_2/H_2-Reactive-Ion-Etching of GaInAs/InP Heterostructure"Jpn.J.Appl.Phys.. 38・12A. 6942-6946 (1999)
• [文献書誌] M.Madhan Raj: "Multiple Micro-Cavity Laser with Benzocyclobutene/Semiconductor high Reflective mirrors fabricated by CH_4/H_2-Reactive Ion Etching"Jpn.J.Appl.Phys.. 38・7B. L811-L814 (1999)
• [文献書誌] M.Madhan Raj: "1.5μm wavelength DBR lasers consisting of 3λ/4-semiconductor and 3λ/4-groove buried with Benzocyclobutene"Electronics Letters. 35・16. 1335-1337 (1999)
• [文献書誌] 大津,荒川編著: "量子工学ハンドブック (担当:半導体レーザ)"朝倉書店. 979 (1999)