Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

窒化ガリウム / 量子ドット / 自発分極 / ピエゾ分極 / 歪分布 / 電子構造 / 半導体レーザ / 発振特性 / 半導体レーザー

AlN障壁層中のGaN量子ドットの電子状態を分極ポテンシャルに依存したsp^3強結合法を用いて原子レベルから理論計算した。本研究では、Keating型のValence-Force-Fieldポテンシャルを用いて歪分布の計算を行い、有限差分法を用いて分極によって誘起されたポテンシャルと電界の分布を計算した。ここでは、自発分極と歪によるピエゾ分極を計算に取り入れている。GaNドットの形状は、頂点の切り取られた六角形ピラミッド型で、底面の直径は10.14nm、高さは2.07nmを想定した。このドット寸法は、実験で成長されたGaN量子ドットの大きさに対応している。分極によって、量子ドット中には、最大で7.14MV/cmの強い電界が誘起されることが明らかになった。基底の電子と正孔準位間の遷移エネルギーは3.653eVであり、フォトルミネセンスの実験結果とよく対応している。上述の強い分極電界により、電子の波動関数はドットの頂点側に、正孔の波動関数は底面側に、それぞれ偏って分布する。その結果、両波動関数間の重なりが低下し、電子と正孔の再結合速度が減少することが予測される。(重なりの自乗値は7.97x10^<-2>である。)
より寸法の大きな量子ドットの電子状態を計算するため、単一バンド有効質量近似法、及び歪に依存した8バンドのk・p法による計算プログラムを作成した。この計算手法を用いて、積層InAs量子ドットの電子構造の理論計算をあわせて行った。ここでは、歪分布の計算は連続弾性体モデルを用いて行い、変形ポテンシャルを通じて電子構造の計算に取り入れた。その結果、積層量子ドットでは、積層に伴い2軸性歪の低下が起きること、及び、ドット間隔6nm程度からドット間の電子の波動関数の弱い結合が見られることなどが明らかになった。この計算手法は、積層GaN量子ドットの電子状態の計算にも応用することが可能である

微小共振器 / 量子ドット / 強化ガリウム / 面発光LED / 面発光レーザ / MOCVD / 結晶成長 / デバイスプロセス / 窒化ガリウム / GaN / InGaN / 半導体レーザ / 量子井戸 / 化合物半導体

電流注入型窒化物半導体青色面発光レーザの実現に向けた基盤技術の確立をはかった。本年度の主な成果は下記の通りである。
1.高反射率n型AlGaN/GaN分布ブラッグ反射鏡(DBR)の作製
GaN層結晶成長時のキャリアガス流量を最適化し、面内均一性の改善に成功した。また、成長温度の誤差変動を1℃単位で補正し、DBRの膜厚揺らぎを抑制した。これらの結果、ノンドープDBR(33周期)上にn型DBR(9周期)を積層したAlGaN/GaN DBRにおいて99%以上の反射率を得ることができた。すでに同等の反射率のDBRを用いた窒化物面発光レーザにおいて室温光励起発振が実現しており、電流注入型青色面発光レーザの実現が大いに期待される。
2.InGaN活性層の発光効率改善
室温フォトルミネッセンス(PL)発光強度の障壁層Siドーピング量依存性を調べて、成長条件の最適化を進めた。Siドーピング量を高めるにつれてPL発光強度が増大し、ノンドープのものより4桁以上高い強度に達した。Siドープによって生じたキャリアがInGaN井戸層内の内部電界の遮蔽をもたらし、電子と正孔の波動関数の重なりが増したものと考えられる。一方、Siドーピング量をある値以上に増やしてもPL発光強度のさらなる増大は観測されなかったが、これは内部電界の遮蔽が飽和に至ったものと考えることで定性的には説明できる。
3.窒化物半導体面発光デバイスプロセスの開発
基板密着性に優れ、逆メサ形状を有する2層レジスト工程を開発した。ベークしたAZ1500上にAZ5206Eを塗布し画像反転プロセスを行うと、レジスト流れも無く、かつ逆メサ形状を有するパターンの形成が可能である。レジストの濡れ性がよくない窒化物半導体上の微細メタルリフトオフプロセスへの応用が可能であり、窒化物面発光レーザの高密度アレイが高い歩留まりで信頼性よく作製できる。

窒化物半導体 / 窒化ガリウム / 窒化インジウムガリウム / 量子ドット / 電子構造 / 強結合法 / 価電子力場法 / 量子閉じ込め / 窒化インジウム / 混晶 / 量子閉じ込め効果

近年、InGaN量子ドットのGaN上での成長、及びそれを活性層とするレーザ構造からのレーザ発振が報告されている。本研究において我々は、量子ドットの光学特性の理解のために、InGaN量子ドットの電子構造を強結合法を用いて理論計算した。InGaN量子ドットは、(1)バリア層に囲まれていないfree-standingなドット、及び、(2)GaNバリア層で囲まれたドット、の2種類について電子構造の計算を行った。実験との比較のためには後者が重要で、ここでは、底面が(0001)面の六角柱形のIn_<0.2>Ga_<0.8>N量子ドットを想定し、これをGaNバリア層で囲み、全体も六角柱となる構造について電子構造を計算した。原子配列の計算にはKeating型のValence-Force-Field法を用い、電子構造の計算にはsp^3基底の強結合法を用いた。計算した中で、最も大きな構造は、バリア層21Åで囲まれたIn_<0.2>Ga_<0.8>N量子ドット(直径86.4Å、高さ20.8Å)であり、実験的にもこの大きさのドットを成長することが可能である。この構造に対して、ギャップ近傍の正孔準位と電子準位をそれぞれ3個まで(V1〜V3、C1〜C3)計算した。正孔側は3個共に近接した準位、電子側は基底準位(C1)と近接した励起準位(C2、C3)となっていた。また、ギャップ値はEg(C1-V1)=2.715eVと計算された。基底電子準位の電荷分布を調べたところ、波動関数はドット中にほぼ閉じ込められているが、InGaN混晶の原子配列の不規則性を反映して、電荷分布は揺らぎを持つことが明らかになった。この計算結果を用いて、光学遷移の振動子強度や励起子の結合エネルギーを計算することが可能である。

【研究分担者】
荒川泰彦	東京大学	先端科学技術研究センター	教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
斉藤敏夫 (齋藤敏夫	斎藤敏夫)	東京大学	国際産学共同研究センター	助手	(Kakenデータベース)
平川一彦	東京大学	生産技術研究所	教授	(Kakenデータベース)
黒田和男	東京大学	生産技術研究所	教授	(Kakenデータベース)
小野村正明	個別半導体板技術ラボラトリー	研究主務

【研究分担者】
荒川泰彦	東京大学	先端科学技術研究センター	教授	(Kakenデータベース)