分子線エピタキシー法による1μm波長帯GaN/AlN量子カスケードレーザの開発

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13750315
• 研究種目: 奨励研究(A)
• 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 / 量子準位間遷移 / 分子線エピタキシー / 光通信 / 半導体レーザ / 共鳴トンネルダイオード

研究概要

本年度は、RF-MBE法を用いて、AIN/GaN2重障壁共鳴トンネルダイオードおよび、AIN/GaN超格子を作製し、特性評価を行った。共鳴トンネルダイオードではピークバレイ比32という明瞭な負性微分抵抗が得られ、AIN/GaN超格子では、光通信用波長帯を含む1μm帯において明瞭な量子準位間遷移(ISBT)吸収が観測された。
(1)AIN/GaN二重障壁共鳴トンネルダイオード
AIN/GaN系量子カスケードレーザの電流注入機構には、AIN/GaN超格子構造における共鳴トンネル現象が用いられる。本研究では、MOCVD法でサファイア基板上に成長したGaNテンプレート上に、AIN多重中間層という貫通転位低減法を用いて二重障壁共鳴トンネルダイオードを作製した。素子作製プロセスを改良することにより、印加電圧2.4Vにおいて、ピークバレイ比32、ピーク電流密度180A/cm^2という良好な値が得られた。
(2)AIN/GaN超格子結晶の成長と量子準位間遷移(ISBT)光吸収の観測
光通信波長帯におけるAIN/GaN超格子のISBT光吸収の観測を試みた。サファイア基板上にAIN高温核形成層を成長した後、90周期のAIN/GaN短周期長格子構造を成長した。ここではAIN層厚を約11MLに固定し、GaN層厚を2.3〜9.4MLの範囲で変化させた複数の試料を成長した。これらの試料の近赤外域における光透過測定を行ったところ、波長1.08〜1.61μmにピークを持つ明瞭な吸収が観測された。吸収はp偏光にのみ観測されることから、ISBT吸収であることが確認された。1.08μmの吸収はこれまで報告された最も短波長のISBT吸収であり、RF-MBE法により分子層レベルで急峻なヘテロ界面が形成されたことを示す結果である。また、吸収スペクトルは単峰性でありローレンツ関数でフィッテングできることから、位相緩和時間に起因する均一広がりを反映している可能性が示された。光通信波長である1.54および1.37μmにおける吸収ピークの半値全幅はそれぞれ61、66meVと、これまでの報告の中で最も狭く、高品質かつ均一な構造を有する超格子結晶が得られた。

研究成果

• [文献書誌] Kazuhide Kusakabe et al.: "Reduction of threading dislocations in migration enhanced epitaxy grown GaN with N-polarity by use of AIN multiple interlayer"Journal of Crystal Growth. 230. 387-391 (2001)
• [文献書誌] A. Kikuchi et al.: "AlGaN resonannt tunneing diodes grown by RF-molecular beam epitaxy"phisica status solidi (a). 188. 187-190 (2001)
• [文献書誌] Katsumi Kishino et al.: "Resonant cavity-enhanced UV-MSM-photodetectors based on AIGaN system"phisica status solidi (a). 188. 321-324 (2001)
• [文献書誌] Katsumi Kishino et al.: "Improved molecular beam epitaxy for fabricating AIGaN/GaN heterojunction devices"physica status solidi (a). (to be published). (2002)
• [文献書誌] Katsumi Kishino et al.: "Intersubband absorption at λ〜1.2-1.6μm in GaN/AIN multiple quantum wells grown by rf-plasma molecular beam epitaxy"physica status solidi. (to be published). (2002)
• [文献書誌] Masao Yonemaru et al.: "Improved responsivity of AIGaN-based resonant cavity-enhanced UV-photodetectors grown on sapphire by RF-MBE"physica status solidi. (to be published). (2002)
• [文献書誌] 橘哲生 他: "極性制御されたGaNのウェットエッチング特性"第48回応用物理学関係連合講演会予稿集. 31p-K-9 (2001)
• [文献書誌] 後藤芳雄 他: "1.55μm光通信波長帯AIGaN/GaN光導波路の作製"第48回応用物理学関係連合講演会予稿集. 12p-Q-16 (2001)
• [文献書誌] 米丸昌男 他: "RF-MBE法によるAIGaN系共振型紫外線受光素子の作製"第48回応用物理学関係連合講演会予稿集. 12p-Q-17 (2001)
• [文献書誌] 米丸昌男 他: "サファイア基板上AIGaN系共振型紫外線受光素子の受光感度の改善"第49回応用物理学関係連合講演会予稿集. 29a-ZM-5 (2002)
• [文献書誌] 坂内亮 他: "AIN/GaN二重障壁トンネルダイオードの作製"第49回応用物理学関係連合講演会予稿集. 29a-ZM-24 (2002)
• [文献書誌] 金澤秀和 他: "AIN/GaN超格子におけるサブバンド間吸収の測定"第49回応用物理学関係連合講演会予稿集. 29p-ZM-15 (2002)