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

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13750315
• 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: 量子準位間遷移 / ガリウムナイトライド / アルミニウムナイトライド / 分子線エピタキシー / 光通信 / 半導体レーザ / 量子カスケードレーザ / 共鳴トンネルダイオード

研究概要

本研究では、AlN/GaN系超格子を用いた光通信波長帯(1.55〜1.3μm)量子カスケードレーザを実現するための基礎技術の開発を行った。AlNおよびGaN薄膜結晶の成長にはRFプラズマで励起された窒素ガスを窒素源とする分子線エピタキシー(RF-MBE)法を用いた。
カスケードレーザの電流注入機構の基本となるGaN/AlN二重障壁共鳴トンネルダイオード構造を作製し、室温における明瞭な微分負性抵抗の観測に初めて成功した。ピークバレイ比32という極めて大きな値が得られ、原子層レベルの膜厚制御技術が確認された。
カスケードレーザの電極層となる高Al組成AlN/GaN超格子結晶における高濃度n型ドーピングを実現するため、Siのバルクおよびデルタドーピングを試み、数分子層厚のGaN井戸層への2x10^<20>cm^<-3>という高濃度ドーピングに成功した。同時にポテンシャル形状のシミュレーションを行い、ドーピング方法と濃度がサブバンド間遷移(ISBT)波長に及ぼす影響を明らかにした。
高濃度ドーピングを行った292周期のAlN(11ML)/GaN(4ML)超格子結晶を用い、波長1.55μmのフェムト秒レーザによるポンプアンドプローブ法で超高速吸収緩和時間の観測に成功し、170フェムト秒の超高速緩和と1.1ピコ秒の遅い緩和の2つの過程が存在することを見出した。吸収緩和はp偏波にのみ観測され、ISBTによる吸収緩和であることが確認された。
光通信波長帯におけるGaN系光導波路の理論解析と基礎パラメータの測定(実効屈折率および自由キャリア吸収)を行い、GaN光導波路による方向性結合器を試作し、GaN系光導波路の有用性を実証した。さらに、AlN/GaN超格子を有する窒化物系光導波路構造において、波長1.55μmのレーザ光に対するISBT吸収の観測にも成功した。

研究成果

• [文献書誌] K.Kishino, et al.: "Improved molecular beam epitaxy for fabricating AlGaN/GaN heterojunction devices"Physica Status Solidi (a). 190・1. 23-31 (2002)
• [文献書誌] K.Kishino, et al.: "Intersubband absorption at λ〜1.2-1.6μm in GaN/AlN multiple quantum wells grown by rf-plasma molecular beam epitaxy"Physica Status Solidi (a). 192・1. 124-128 (2002)
• [文献書誌] M.Yonemaru, et al.: "Improved responsivity of AlGaN-based resonant cavity-enhanced UV-photodetectors grown on sapphire by RF-MBE"Physica Status Solidi (a). 192・2. 292-295 (2002)
• [文献書誌] K.Kishino, et al.: "Intersubband transition in (Gan)_m/(AlN)_n superlattices in the wavelength range from 1.08 to 1.61 μm"Applied Physics Letters. 81・7. 1234-1236 (2002)
• [文献書誌] A.Kikuchi, et al.: "AlN/GaN double barrier resonant tunneling diodes grown by rf-plasma assisted molecular beam epitaxy"Applied Physics Letters. 81・9. 1729-1731 (2002)
• [文献書誌] K.Kusakabe, et al.: "Overgrowth of GaN layer on GaN nano-columns by RF-molecular beam epitaxy"Journal of Crystal Growth. 237・2. 988-992 (2002)
• [文献書誌] 菊池昭彦 他: "分子線エピタキシー法による高品質窒化物半導体の結晶成長と共鳴トンネルダイオードの作製"電子情報通信学会、信学技報. LQE2002-18. 69-72 (2002)
• [文献書誌] 米丸昌男 他: "AlGaN系紫外域共振型受光素子の作製と評価"電子情報通信学会、信学技報. ED2002-98 LQE2002-73. 9-12 (2002)
• [文献書誌] 菊池昭彦 他: "AlN/GaN超格子を用いた1.2〜1.6μm光通信波長帯サブバンド間吸収の観測"電子情報通信学会、信学技報. ED2002-102 LQE2002-77. 25-28 (2002)
• [文献書誌] 米丸昌男 他: "サファイア基板上AlGaN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 講演予稿集. 29p-ZM-5 (2002)
• [文献書誌] 金澤秀和 他: "AlN/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 講演予稿集. 29a-ZM-15 (2002)
• [文献書誌] 坂内亮 他: "AlN/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 講演予稿集. 29a-ZM-24 (2002)
• [文献書誌] 橘哲生 他: "AlN/GaN超格子構造における1.07μmサブバンド間吸収の測定"第63回応用物理学会学術講演会 講演予稿集. 24a-YG-5 (2002)
• [文献書誌] 金澤秀和 他: "AlN/GaN超格子における光通信波長帯サブバンド間吸収スペクトル"第63回応用物理学会学術講演会 講演予稿集. 24a-YG-4 (2002)
• [文献書誌] 米丸昌男 他: "裏面入射AlGaN系共振型紫外線受光素子の作製"第63回応用物理学会学術講演会 講演予稿集. 26p-YH-9 (2002)
• [文献書誌] 後藤芳雄 他: "1.55μm光通信波長AlGaN/GaN方向性結合器の作製"第63回応用物理学会学術講演会 講演予稿集. 26p-B-5 (2002)
• [文献書誌] 米丸昌男 他: "裏面入射AlGaN系共振型紫外線受光素子の受光特性"第50回応用物理学関係連合講演会 講演予稿集. 30a-T-3 (2002)