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

2003 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。
本年度は昨年度実現した歪補償量子細線レーザの室温連続動作寿命試験を行うと共に、量子細線幅の不均一性の評価を行い、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)の室温連続動作条件下での寿命試験を行い、10,000時間以上経過後も特性劣化が生じ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。
2)さらに、極微構造形成を推進し、量子細線幅14nm、周期80nmの5層歪量子細線レーザを実現した。
3)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。
4)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。
5)量子閉じ込め効果による遷移エネルギーの増大を利用して、幅の広い細線状活性層を回折格子周期(240nm)で配置すると共に、幅の狭い量子細線活性層を同様の回折格子周期(240nm)で配置することにより、前者をDFBレーザ領域、後者をDBR領域として用いる分布反射型(DR)レーザを試作し、室温連続動作条件下で低電流(しきい値2.8mA)・高効率(微分量子効率35%/出力端面)・良好な単一モード動作(SMSR=55dB)を達成した。

研究成果

• [文献書誌] T.Sano: "Multiple-Quantum-Wire Structures with Good Size Uniformity Fabricated by CH_4H_2 Dry Etching and Organometallic Vapor-Phase-Epitaxial Regrowth"Jpn.J.Appl.Phys.. 42・6A. 3471-3472 (2003)
• [文献書誌] H.Yagi: "Room Temperature-Continuous Wave Operation of GalnAsP/InP Multiple-Quantum-Wire Lasers by Dry Etching and Regrowth Method"Jpn.J.Appl.Phys.. 42・7A. L748-L750 (2003)
• [文献書誌] H.-C.Kim: "Narrow-stripe distributed reflector lasers with first-order-vertical grating and distributed Bragg reflector"IEEE Photon.Technol.Lett.. 15・8. 1032-1034 (2003)
• [文献書誌] A.Haque: "Electronic band structures of GalnAsP/InP vertically stacked multiple quantum wires with strain-compensating barriers"J.Appl.Phys.. 94・3. 2018-2023 (2003)
• [文献書誌] K.Ohira: "Distributed Reflector Laser Integrated with Active and Passive Grating Sections Using Lateral Quantum Confinement Effect"Jpn.J.Appl.Phys.. 42・8A. L921-L922 (2003)
• [文献書誌] H.-C.Kim: "1.5μm-Wavelength Narrow Stripe Distributed Reflector Lasers for High-Performance Operation"IEEE J.Select.Topics in Quantum Electron.. 9・5. 1146-1152 (2003)
• [文献書誌] K.Ohira: "Stable Single-Mode Operation of Distributed Feedback Lasers With Wirelike Active Regions"IEEE J.Select.Topics in Quantum Electron.. 9・5. 1166-1171 (2003)
• [文献書誌] T.Okamoto: "Optically Pumped Membrane BH-DFB Lasers for Low-Threshold and Single-Mode Operation"IEEE J.Select.Topics in Quantum Electron.. 9・5. 1361-1366 (2003)
• [文献書誌] T.Okamoto: "Low Threshold Membrane BH-DFB Laser Arrays with Precisely Controlled Wavelength over a Wide Range"IEEE Photon.Technol.Lett.. (掲載予定). (2004)
• [文献書誌] H.Yagi: "GaInAsP/InP Partially Strain-Compensated Multiple-Quantum-Wire Lasers Fabricated by Dry Etching and Regrowth Processes"Jpn.J.Appl.Phys.. (掲載予定). (2004)