窒化物半導体による1μm波長帯量子カスケードレーザの基礎研究

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11750296
• 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, 助手 (90266073)
• キーワード: 量子カスケードレーザ / ガリウムナイトライド / アルミニウムナイトライド / 量子準位間還移 / 分子線エピタキシー / 光通信

研究概要

本年度はRFプラズマ窒素を用いる分子線エピタキシー(RF-MBE)法による高品質GaN成長に関する研究成果を得た。
1.RF-MBE法によるGaNの極性制御 MBE法は原子層レベルの膜厚制御性を有するため、量子カスケードレーザに最も適した結晶成長法だが、一般に結晶中に極性の異なるドメインが混在しやすく、表面モホロジーや電気特性が劣る。本研究では、活性窒素でサファイア基板を十分に窒化した後GaNを直接成長すると窒素極性となり、高温で成長したAlNバッファ層を用いるとGa極性になることを見出した。
2.AlN中間層による高品質化 極性制御されたGaNにも基板との格子整合に起因する高密度な貫通転位が存在する。ここではAlN中間層の導入により貫通転位密度が低減し、結晶性が向上することを見出した。臨界膜厚以上のAlNは電気特性を改善し、臨界膜厚以下のAlNは表面モホロジーを改善することがわかった。これら厚さの異なるAlN中間層を同時に導入することにより、原子ステップ構造と300cm^2/Vs以上の移動度を有する高品質Ga極性GaN結晶が得られた。
3.GaN/AlGaN周期構造の試作 Ga極性に制御した20.5周期のGaN(43.2nm)/AlN(50.8nm)および50周期のGaN(35.9nm)/Al_<0.14>Ga_<0.86>N(37.2nm)多層膜反射鏡を試作し、波長444nm及び377nmにおいて、それぞれ95%及び92%という高反射率を得、RF-MBE法により優れた平坦性と周期性を有するGaN/AlGaNヘテロ構造が作製可能であることを示した。
4.GaNのアトムビームエッチング 電流注入構造及び共振器構造を形成するためのデバイス加工法としてGaNのアトムビームエッチング条件を把握した。エッチングガスにAr、H_2及びCH_4を用いることにより優れた垂直性を有するエッチング条件を見出した。
5.来年度の計画 本年度の成果に基づき、GaN/AlN量子構造の作製と評価を行い、サブバンド間遷移による1μm波長帯発光を実験的に検証する。

研究成果

• [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. B59. 65-68 (1999)
• [文献書誌] Shinichi Nakamura et al.: "InGaN/GaN MQW and Mg-doped GaN growth using a shutter control method by RF-molecular beam epitaxy"Phisica Status Solidi(a). 176. 273-277 (1999)
• [文献書誌] D.Sugihara et al.: "2.6um/hr high-speed growth of GaN by RF-molecular beam epitaxy and improvement of crystal quality by migration enhanced epitaxy"Phisica Status Solidi(a). 176. 323-328 (1999)
• [文献書誌] D.Sugihara et al.: "High-quality GaN on AlN multiple intermediate layer with migration enhanced epitaxy by RF-molecular beam epitaxy"Jpn.J.Appl.Phys.. 39. L197-L199 (2000)
• [文献書誌] A.Kikuchi et al.: "Improvement of crystal quality of RF-plasma assisted molecular beam epitaxy grown Ga-polarity GaN by high-temperature growth AlN multiple intermediate layers"Jpn.J.Appl.Phys.. (2000)
• [文献書誌] D.Sugihara et al.: "Supprssion of inversion domaina and decrease of threading dislocations in migration enhanced epitaxial GaN by RF-molecular beam epitaxy"Phisica Status Solidi(a). (2000)
• [文献書誌] A.Kikuchi et al.: "Improvement of electrical property and surface morphology of GaN grown by rf-plasma assisted molecular beam epitaxy by introduction of multiple AlN intermediate layer"European Mat.Res.Soc.Spring Meeting. (2000)
• [文献書誌] 岸野克巳 他: "RF-MBE法によるGaNの極性制御とAlN多重中間層による高品質化"SiC及び関連ワイドギャップ半導体研究会. (1999)
• [文献書誌] 豊浦洋祐 他: "窒化物系共振型紫外線受光素子の設計とRF-MBE法によるAlGaN系DBRの試作"電子情報通信学会Technical Report of IEICE. OFT99-54 OPE99-142. 19-24 (2000)
• [文献書誌] 杉原大輔 他: "RF-MBE法によるMEE法を用いたGaN:Si厚膜成長"第60回応用物理学会学術講演会. 2a-V-10 (1999)
• [文献書誌] 草部一秀 他: "RF-MBE法によるGaN:Be成長とドーピング特性"第60回応用物理学会学術講演会. 2a-V-11 (1999)
• [文献書誌] 山田隆之 他: "RF-MBE成長GaNの極性制御に向けたMEE AlNバッファ層の導入"第60回応用物理学会学術講演会. 2p-V-2 (1999)
• [文献書誌] 中村進一 他: "RF-MBE法によるAlN/GaN多重バッファ上のGaN成長とデバイス構造の試作"第60回応用物理学会学術講演会. 2p-V-4 (1999)
• [文献書誌] 豊浦洋祐 他: "紫外-青色域共振型受光素子に向けたAlN/GaN DBRのRF-MBE成長"第60回応用物理学会学術講演会. 4a-V-1 (1999)
• [文献書誌] 山田隆之 他: "RF-MBE成長GaNへの高温成長AIN多重中間層の導入"第47回応用物理学関係連合講演会. 28a-YQ-9 (2000)
• [文献書誌] 草部一秀 他: "RF-MBE法による高正孔濃度MgドープGaN/AlGaNの成長"第47回応用物理学関係連合講演会. 28a-YQ-11 (2000)
• [文献書誌] 豊浦洋祐 他: "AlGaN系紫外領域共振型受光素子の理論解析"第47回応用物理学関係連合講演会. 31a-YQ-9 (2000)