2017 Fiscal Year Research-status Report
InN/GaN短周期超格子による窒化物半導体レーザー導波光制御構造の高機能化
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17K06360
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| Research Institution | Meijo University |
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Principal Investigator |
今井 大地 名城大学, 理工学部, 助教 (20739057)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 1分子層InN / 半導体レーザー / 短周期超格子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、通常のInGaN混晶に対し大きな屈折率と、コヒーレント厚膜積層が可能な優位性をもつ擬似InGaN混晶による、窒化物半導体レーザーの新しい導波光制御構造の提案と実証、更にはその素子応用にむけた基盤的技術の開拓を行うことを目的とする。最重要課題となるのは、InN/GaN層厚比と1分子層InN面内被覆率の変調による屈折率制御と、コヒーレント厚膜積層制御を両立した、擬似InGaN混晶の構造・物性制御方法の構築である。まずは従来のInGaN系半導体レーザーで閾電流密度が増大し始める発振波長460nmを目標に、擬似InGaN混晶により構成される光導波構造の、閾電流密度低減と発振波長の長波長側拡大に対する有効性の実証を目指す。
擬似InGaN混晶のバンドエネルギーおよび屈折率は実効In組成により変化し、In組成はInN/GaN層厚比および1ML-InN面内被覆率それぞれにより制御することができると考えられる。H29年度は、擬似InGaN混晶によりバンドエネルギーおよび屈折率をどの程度制御することができるのかに着目し、主に分光エリプソメトリーによる屈折率・消衰係数の解析を進めた。これに基づき擬似InGaN混晶ガイド層を導入した場合の最適なデバイス構造をシミュレーションで検討し、本研究課題提案の導波光制御構造によるデバイス特性向上の具体的な指標を得ることを中間期までの目標とした。
InN/GaN短周期超格子の屈折率および消衰係数を分光エリプソメトリーにより解析するため、スペクトルフィッティング用のプログラムを作製し、多層膜構造および吸収端近傍の励起子吸収、表面・界面ラフネス等を考慮してスペクトル解析に取り組んだ。現在、50~100周期積層されているInN/GaN短周期超格子において、最適な誘電関数モデルの選定と同時に解析を進めている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
当初の本研究課題における中間期までの研究計画は以下のとおりである。①主に分光エリプソメトリーを用いたInN/GaN短周期超格子の擬誘電関数スペクトルの解析と、屈折率および消衰係数の導出。これに基づき擬似InGaN混晶ガイド層を導入した場合の最適なデバイス構造をシミュレーションにより検討し、本研究課題提案の導波光制御構造によるデバイス特性向上の具体的な指標を得る。②将来的に本学で構造作製を行うため、MBEで実績のある構造を有機金属気相成長法(MOCVD)により再現する。
①InN/GaN短周期超格子の屈折率および消衰係数の解析
分光エリプソメトリーにより得られる擬誘電関数スペクトルを解析するため、解析プログラムの構築から取り掛かった。これまでに多層膜構造および表面、界面ラフネス、吸収領域では基礎吸収単近傍の励起子吸収を考慮した誘電関数モデルを用いて、GaN、GaInN、AlGaNにおいて吸収端近傍から低エネルギー側の領域にかけて精度よく屈折率および消衰係数をスペクトル解析により導出できることを確認した。現在、短周期超格子に適用するために、適切な誘電関数モデルの選定と解析を進めている。擬似InGaN混晶ガイド層を導入した場合のデバイス特性向上の具体的指標については①の解析が完了次第、まずはデバイスシュミレータにより解析を行う。
②当初計画ではMOCVDによる結晶成長を予定していたが、本学においてMBE装置が使用可能な状況となったため、H30年度より実績のあるMBEによる結晶成長を開始する予定である。まずは千葉大学のMBE装置で実績のある構造を作製・再現することを目指す。
以上のように①屈折率解析については中間期までに完了する目途がある程度たってきたが、②結晶成長については成長方法の変更により遅延があったため、研究状況はやや遅れていると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初計画ではデバイス構造の作製と評価に重点を置いていたため、2年目以降に使用予定であったHakki-Paoli法による半導体レーザーの利得測定システム構築に予算を計上していた。一方で本研究計画の根幹を成すInN/GaN短周期超格子及び1分子層InN量子井戸の物性を詳細に解析し本質的理解を得ることは、本研究提案構造の有効性を証明し、更に長波長域へと展開する際の素子設計指針を明らかにするうえで非常に重要であると考えている。また利得評価は光励起による方法（Shaklee-Leheny法）が利用できることから、H29はバンド構造をはじめとした光学特性を評価するための物性評価システム構築に予算を計上した。また、H30よりMBE法による結晶成長を開始する予定であり、超格子構造の制御に重点をおいて結晶成長プロセスの開拓を進める。よって、当初計画では素子構造の作製および素子動作特性の評価に重点を置いていたが、今後はInN/GaN短周期超格子の超格子構造と物性制御方法の解明に注力しつつ目標到達に向けて研究を進める。
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| Causes of Carryover |
今後の推進方策にも記載したように、当初計画ではデバイス構造の作製と評価に重点を置いていたため、2年目以降に使用予定であったHakki-Paoli法による半導体レーザーの利得測定システム構築に予算を計上していた。一方で本研究計画の根幹を成すInN/GaN短周期超格子及び1分子層InN量子井戸の物性を詳細に解析し、本研究提案構造の有効性を証明することは今後の研究推進における基盤技術の構築において重要であり、また利得評価は光励起による方法（Shaklee-Leheny法）が利用できることから、バンド構造をはじめとした光学特性を評価するための物性評価システム構築に予算を計上した。以上のように予算の執行計画に変更が生じたため、次年度使用額にも変更が生じた。
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Research Products
(2 results)
