希土類元素添加半導体を基盤とした波長超安定新規発光デバイスの高性能化

2005 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 15360164
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 研究分野: 電子・電気材料工学
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 藤原 康文 大阪大学, 大学院・工学研究科, 教授 (10181421)
• 研究分担者: 吉田 博 大阪大学, 産業科学研究所, 教授 (30133929) ; 竹田 美和 名古屋大学, 大学院・工学研究科, 教授 (20111932) ; 宮本 智之 東京工業大学, 精密工学研究所, 助教授 (70282861)
• 研究期間 (年度): 2003 – 2005
• キーワード: 希土類添加III-V族半導体 / 新規半導体レーザ用材料 / 原子レベル制御成長 / 誘導放出 / エルビウム / ダブルヘテロ構造 / 非平衡キャリアグイナミクス / carrier dynamics

研究概要

本研究では、これまでの研究成果を大きく発展させ、「電流注入による希土類元素発光準位を介する誘導放出」を用いた光情報通信帯域波長超安定新規半導体レーザ実現の可能性を探ることを目的とする。得られた知見を以下にまとめる。
(1)GaAs/GaInPヘテロ構造はAs/P界面を有することから、急峻な界面構造を得ることが困難な材料系として知られている。原料ガスフローを物理的に分離する反応管構造や、界面形成を550℃以下で行う成長温度シーケンスを用いることにより、原子レベルで急峻な界面構造を得ることに成功した。
(2)ErとOを共添加したGaAs(GaAs:Er,O)において、Er発光中心がEr-2O発光中心に単一化され、発光強度が2桁程度増大することを確認した。また、Er発光強度には成長雰囲気中のOが重要な役割を果たしており、その添加量の最適化が重要である。
(3)pn制御を施したGaInP/GaAs:Er,O/GaInP DH構造において、室温でErに起因する電流注入発光を観測した。そのスペクトル形状はEr-2O発光中心のものと一致していることから、電流注入によりEr-2O発光中心が効果的に励起されていることを明らかにした。
(4)その発光強度の注入電流密度依存性や、発光の立ち上がり/立ち下がり時間の解析を通じてEr励起断面積を見積もったところ、今日、実用化されているEr添加ファイバ増幅器のものと比較して、5〜6桁高い値が得られた。
(5)発光デバイス特性の高性能化を目的に、GaAs:Er,Oにおける非平衡キャリアダイナミクスをポンプ・プローブ光反射率測定により調べた。Er濃度に依存してピコ秒の時間スケールで発現する特徴的な緩和プロセスを見出し、それがErトラップによるキャリア捕獲によることを明らかにした。一方、Er濃度に依存しない緩和プロセスも同時に観測され、Erトラップに捕獲された電子-正孔対によるErイオンの4f殻励起に対応するものと考えられる。

研究成果

• [雑誌論文] Direct observation of trapping of photoexcited carriers in Er,O-codoped GaAs (2006)
  • 著者名/発表者名: K.Nakamura, S.Takemoto, Y.Terai, M.Suzuki, A.Koizumi, Y.Takeda, M.Tonouchi, Y.Fujiwara
  • 雑誌名: Physica B 376-377 ページ: 556-559
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Electron spin resonance study of Zn-codoping effect on local structure of the Er-related centers in GaAs:Er,O (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Yoshida, K.Hiraka, H.Ohta, Y.Fujiwara, A.Koizumi, Y.Takeda
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 97(2) ページ: 023909-1-023909-4
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Effects of S-doping and subsequent annealing on photoluminescence around 1.54μm from Er-containing ZnO (2005)
  • 著者名/発表者名: Z.Zhou, N.Sato, T.Komaki, A.Koizumi, T.Komori, M.Morinaga, Y.Fujiwara, Y.Takeda
  • 雑誌名: Materials Science Forum 475-479 ページ: 1125-1128
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] ESR study of Zn codoping effect on the luminescence efficiency of the Er-2O center in GaAs:Er,O (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Yoshida, K.Hiraka, H.Ohta, A.Koizumi, Y.Fujiwara, Y.Takeda
  • 雑誌名: Physics of Semiconductors, AIP Conference Proceedings 772 ページ: 121-122
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Terahertz radiation from Er,O-codoped GaAs surface (2005)
  • 著者名/発表者名: M.Suzuki, M.Tonouchi, A.Koizumi, Y.Takeda, K.Nakamura, Y.Fujiwara
  • 雑誌名: Physics of Semiconductors, AIP Conference Proceedings 772 ページ: 131-132
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Pump and probe reflection study on photoexcited carrier dynamics in Er,O-codoped GaAs (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Fujiwara, K.Nakamura, A.Koizumi, Y.Takeda, M.Suzuki, M.Tonouchi
  • 雑誌名: Physics of Semiconductors, AIP Conference Proceedings 772 ページ: 139-140
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Nonequilibrium carrier dynamics studied in Er,O-codoped GaAs by pump-probe reflection technique (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Fujiwara, K.Nakamura, S.Takemoto, Y.Terai, M.Suzuki, A.Koizumi, Y.Takeda, M.Tonouchi
  • 雑誌名: Materials Research Society Symposium Proceedings 866 ページ: 79-83
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Room-temperature operation of injection-type 1.5 μm light-emitting diodes with Er,O-codoped GaAs (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Fujiwara
  • 雑誌名: Materials Transactions 46(9) ページ: 1969-1974
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Behaviors of nonequilibrium carriers in Er,O-codoped GaAs for 1.5μm light-emitting devices with extremely stable wavelength (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Fujiwara, A.Koizumi, K.Nakamura, M.Suzuki, Y.Takeda, M.Tonouchi
  • 雑誌名: Materials Science Forum 512 ページ: 159-164
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Nonequilibrium carrier dynamics studied in Er,O-codoped GaAs by pump-probe reflection technique (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Fujiwara, K.Nakamura, S.Takemoto, Y.Terai, M.Suzuki, A.Koizumi, Y.Takeda, M.Tonouchi
  • 雑誌名: Materials Research Society Symposium Proceedings, Rare-Earth Doping for Optoelectronic Applications (edited by T.Gregorkiewicz, Y.Fujiwara, M.Lipson and J.M.Zavada) (Materials Research Society, Pittsburgh) Vol.866 ページ: 79-83
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Composition dependence of energy structure and lattice structure in InGaAs/GaP (2004)
  • 著者名/発表者名: S.Fuchi, Y.Nonogaki, H.Moriya, A.Koizumi, Y.Fujiwara, Y.Takeda
  • 雑誌名: Physica E 21 ページ: 36-44
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Atomic-scale observation of interfacial roughness and As-P exchange in InGaAs/InP multiple quantum well (2004)
  • 著者名/発表者名: I.Yamakawa, R.Oga, Y.Fujiwara, Y.Takeda, A.Nakamura
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 84(22) ページ: 4436-4438
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Effects of growth sequence on atomic level interfacial structures and characteristics of GaInP/GaAs/GaInP double heterostructures grown by low-pressure OMVPE (2004)
  • 著者名/発表者名: T.Yoshikane, A.Koizumi, S.Hisadome, M.Tabuchi, Y.Fujiwara, A.Urakami, K.Inoue, Y.Takeda
  • 雑誌名: Applied Surface Science 237 ページ: 246-250
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Electron spin resonance study of GaAs:Er,O grown by organometallic vapor phase epitaxy (2004)
  • 著者名/発表者名: M.Yoshida, K.Hiraka, H.Ohta, Y.Fujiwara, A.Koizumi, Y.Takeda
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 96(8) ページ: 4189-4196
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Photoluminescence around 1.54 μm from Er-containing ZnO at room temperature (2004)
  • 著者名/発表者名: Z.Zhou, T.Komaki, A.Koizumi, T.Komori, M.Yoshino, M.Morinaga, Y.Fujiwara, Y.Takeda
  • 雑誌名: Materials Transactions 45(7) ページ: 2003-2007
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] 希土類添加III-V族半導体による電流注入型発光デバイス (2004)
  • 著者名/発表者名: 藤原康文, 小泉淳, 竹田美和
  • 雑誌名: 応用物理 73(2) ページ: 224-228
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] 希土類元素発光中心の形成と光デバイスへの展開-結晶成長による原子配置の制御とデバイス作製- (2004)
  • 著者名/発表者名: 竹田美和, 藤原康文, 田渕雅夫, 大渕博宣
  • 雑誌名: まてりあ 43(4) ページ: 312-317
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Formation of reactive center of rare-earth atom and application to optical devices-control of atom arrangements by crystal growth and fabrication of devices- (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Takeda, Y.Fujiwara, M.Tabuchi, H.Ofuchi
  • 雑誌名: Materia Japan [in Japanese] 43(4) ページ: 312-317
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Injection-type light-emitting devices using rare-earth-doped III-V semiconductors (2004)
  • 著者名/発表者名: Y.Fujiwara, A.Koizumi, Y.Takeda
  • 雑誌名: Oyo Buturi [in Japanese] 73(2) ページ: 224-228
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Room-temperature 1.54μm light emission from Er,O-codoped GaAs/GaInP LEDs grown by low-pressure organometallic vapor phase epitaxy (2003)
  • 著者名/発表者名: A.Koizumi, Y.Fujiwara, K.Inoue, A.Urakami, T.Yoshikane, Y.Takeda
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 42(4B) ページ: 2223-2225
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] AFM observation of OMVPE-grown ErP on InP substrates using a new organometal Er(EtCp)_3 (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Akane, S.Jinno, Y.Yang, T.Hirata, T.Kuno, Y.Isogai, N.Watanabe, Y.Fujiwara, A.Nakamura, Y.Takeda
  • 雑誌名: Applied Surface Science 216 ページ: 537-541
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Growth sequence dependence of GaAs-on-GaInP interface characteristics in GaAs/GaInP/GaAs structures grown by low-pressure organometallic vapor phase epitaxy (2003)
  • 著者名/発表者名: A.Koizumi, Y.Fujiwara, K.Inoue, T.Yoshikane, A.Urakami, Y.Takeda
  • 雑誌名: Applied Surface Science 216 ページ: 560-563
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Reactor structure dependence of interface abruptness in GaInAs/InP and GaInP/GaAs grown by organometallic vapor phase epitaxy (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Fujiwara, Y.Nonogaki, R.Oga, A.Koizumi, Y.Takeda
  • 雑誌名: Applied Surface Science 216 ページ: 564-568
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Room-temperature electroluminescence properties of Er,O-codoped GaAs injection-type light emitting diodes grown by organometallic vapor phase epitaxy (2003)
  • 著者名/発表者名: A.Koizumi, Y.Fujiwara, A.Urakami, K.Inone, T.Yoshikane, Y.Takeda
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 83(22) ページ: 4521-4523
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Room-temperature 1.5μm electroluminescence from GaInP/Er,O-codoped GaAs/GaInP double heterostructure injection-type light emitting diodes grown by organometallic vapor phase epitaxy (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Fujiwara, A.Koizumi, A.Urakami, T.Yoshikane, K.Inoue, Y.Takeda
  • 雑誌名: Materials Science and Engineering B 105(1-3) ページ: 57-60
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Extremely large Er excitation cross section in Er,O-codoped GaAs light emitting diodes grown by organometallic vapor phase epitaxy (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Fujiwara, A.Koizumi, K.Inoue, A.Urakami, T.Yoshikane, Y.Takeda
  • 雑誌名: Materials Research Society Symposium Proceedings, Progress in Semiconductors II, Electronic and Optoelectronic Applications 744 ページ: 149-154
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Effects of active layer thickness on Er excitation cross section in GaInP/GaAs:Er,O/GaInP DH structure light-emitting diodes (2003)
  • 著者名/発表者名: A.Koizumi, Y.Fujiwara, A.Urakami, K.Inoue, T.Yoshikane, Y.Takeda
  • 雑誌名: Physica B 340-342 ページ: 309-314
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] AFM observation of OMVPE grown ErP on InP (001), (111)A and (111)B substrates (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Kuno, T.Akane, S.Jinno, T.Hirata, Y.Yang, Y.Isogai, N.Watanabe, Y.Fujiwara, A.Nakamura, Y.Takeda
  • 雑誌名: Materials Science in Semiconductor Processing 6 ページ: 461-464
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Fluorescence EXAFS analysis for ErP grown on by organometallic vapor phase epitaxy using a new organometal Er(EtCp)_3 (2003)
  • 著者名/発表者名: H.Ofuchi, T.Akane, S.Jinno, Y.Yang, N.Kuno, T.Hirata, M.Tabuchi, Y.Fujiwara, Y.Takeda
  • 雑誌名: Materials Science in Semiconductor Processing 6 ページ: 469-472
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] SEM observation of overgrown InP on ErP/InP (001), InP (111)A, and InP (111)B (2003)
  • 著者名/発表者名: T.Hirata, T.Akane, S.Jinno, T.Kuno, Y.Yang, Y.Fujiwara, A.Nakamura, Y.Takeda
  • 雑誌名: Materials Science in Semiconductor Processing 6 ページ: 473-476
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [雑誌論文] Extremely large Er excitation cross section in Er,O-codoped GaAs light emitting diodes grown by organometallic vapor phase epitaxy (2003)
  • 著者名/発表者名: Y.Fujiwara, A.Koizumi, K.Inoue, A.Urakami, T.Yoshikane, Y.Takeda
  • 雑誌名: Materials Research Society Symposium Proceedings, Progress in Semiconductors II--Electronic and Optoelectronic Applications (edited by B.D.Weaver, M.O.Manasreh, C.C.Jagadish and S.Zollner) (Materials Research Society, Pittsburgh) Vol.744 ページ: 149-154
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [雑誌論文] Room-temperature electroluminescence properties of Er,O-codoped GaAs injection-type light emitting diodes grown by organometallic vapor phase epitaxy (2003)
  • 著者名/発表者名: A.Koizumi, Y.Fujiwara, A.Urakami, K.Inoue, T.Yoshikane, Y.Takeda
  • 雑誌名: Applied Physics Letters 83(22) ページ: 4521-4523
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [図書] Rare-Earth Doping for Optoelectronic Applications, Materials Research Society Symposium Proceedings (2005)
  • 著者名/発表者名: T.Gregorkiewicz, Y.Fujiwara, M.Lipson, J.M.Zavada
  • 総ページ数: 209
  • 出版者: Materials Research Society
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [図書] Optical Materials 28(6-7) [Rare earth doped photonic materials. Proceedings of the European Materials Research Society 2005 Spring Meeting - Symposium C] (2005)
  • 著者名/発表者名: Y.Fujiwara, A.J.Keynon, B.Moine, P.Ruterana
  • 総ページ数: 322
  • 出版者: Elsevier
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より