歪補償低次元量子構造を用いる高性能レーザと新機能光デバイスの研究

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13305021
• 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 / GalnAsP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、歪補償低次元量子構造の微細化・高品質化および高密度化を推進して、現状の歪量子井戸構造半導体レーザを凌駕する高性能半導体レーザ、および機能光デバイスのための新しい極微構造を実現することを目的としている。
本年度は昨年度に続き、主に高品質極微構造形成法を開拓することに主眼を置き、歪補償量子細線レーザの動作特性から量子閉じ込め効果の検証、および量子細線幅の不均一性の評価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(トップダウン的手法)によって、量子細線幅23nm、周期80nmの5層歪量子細線レーザ(量子細線幅23nm、周期80nm)を世界で初めて実現すると共に、その室温連続動作を達成した。
2)この5層歪量子細線レーザを室温連続動作下で寿命試験を行い、2000時間経過後も光出力特性に劣化は現れないことを確認した。この結果より、本研究で開拓した極微構造形成法は、実用水準の光デバイス作製に有望な低損傷界面を実現できることを明らかにした。
3)さらに、極微構造形成を推進し、量子細線幅18nm、周期80nmの5層歪量子細線レーザを実現した。
4)種々の細線幅の多層歪(量子)細線レーザを試作し、そのしきい値以下での自然放出光強度の細線幅依存性より、極微加工界面における非発光再結合速度とキャリア寿命の積は約4nm以下であることを明らかにした。
5)極微構造形成プロセスを検討した結果、幅27nmおよび18nmの多層歪量子細線構造において、細線幅の揺らぎ(標準偏差)が±10%以下の高い均一性が得られることを実証した。
6)歪量子井戸構造を極微加工して得られる量子細線構造に残留する歪応力を考慮したバンド構造解析を世界で初めて行った。その結果、従来の理論解析では説明できなかった、細線幅に対する遷移エネルギーのブルーシフト量の実験結果を説明できることを明らかにした。

研究成果

• [文献書誌] H.Yagi: "Low-Damage Etched/Regrown Interface of Strain-Compensated GaInAsP/InP Quantum-Wire Laser Fabricated by CH_4/H_2 Dry Etching and Regrowth"Appl. Phys. Lett.. 81・6. 966-968 (2002)
• [文献書誌] T.Okamoto: "Single-Mode Operation of Optically Pumped Membrane Buried Heterostructure Distributed-Feedback Lasers"Jpn. J. Appl. Phys.. 41・3A. L249-L251 (2002)
• [文献書誌] S.-H.Jeong: "Polarization-Independent All-Optical Switching in a Nonlinear GalnAsP-InP Highmesa Waveguide with a Vertically Etched Bragg Reflector"IEEE J. Quantum Electron.. 38・7. 706-715 (2002)
• [文献書誌] V.M.Kaganer: "Strain in Buried Quantum Wires : Analytical Calculations and X-Ray Diffraction Study"Phys. Rev. B. 66・3. 035310(7) (2002)
• [文献書誌] T.Okamoto: "Low-Threshold Singlemode Operation of Membrane BH-DFB Lasers"Electron. Lett.. 38・23. 1444-1446 (2002)
• [文献書誌] H.-C.Kim: "Distributed Reflector Lasers with First-Order Vertical Grating and Second-Order Bragg Reflectors"Jpn. J. Appl. Phys.. 41・12. 7396-7397 (2002)
• [文献書誌] K.Ohira: "Reliable Operation of GalnAsP/InP Distributed Feedback Laser with Wirelike Active Regions"Jpn. J. Appl. Phys.. 42・2A. 475-476 (2003)