【研究領域課題番号】19H02634 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコンフォトニクス / 量子ドット / 半導体レーザ / 波長可変レーザ / 光シンセサイザー / 波長可変レーザーダイオード

【研究成果の概要】

微小なシリコンチップ内で光波の周波数、強度、位相を精密に制御する事が可能な光波制御チップと量子ドット光増幅器を結合する事で、複数の波長のレーザ光を出力可能なヘテロジニアス多波長レーザを作製した。二波長可変ヘテロジニアスレーザからの出力光をフォトディテクタによって電気信号に変換する事で20～400 GHzの非常に広い帯域のミリ波を出力できることを示した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2019-04-01 - 2022-03-31

【配分額】17,290千円 (直接経費: 13,300千円、間接経費: 3,990千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】17560005 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体物性 / 量子ドット / InAs / 波動関数 / 半導体レーザ / 半導体光増幅器 / 偏光 / 圧電効果 / GaAs / 格子歪 / VFF法 / 電子構造

【研究成果の概要】

積層InAs量子ドットの特殊な場合として、量子ドット間の障壁層がなく量子ドットがコラム型に直接接合した構造(コラム型InAs量子ドット)の成長が報告されている。この結果を解釈するために、コラム型量子ドットの偏光特性の積層数依存性(積層数1〜9)を、Valence-Force-Field法による歪分布の計算とそれに基づく8バンドk・p法による電子構造の計算により理論解析した。その結果、コラム型量子ドットの遷移強度スペクトルでは、積層数増加に伴いTM成分の増大とTE成分の低下が起き、積層数が7から9に増加するときにTE/TM>1からTE/TM<1に変化することが明らかになった。これは実験結果を非常によく再現しており、理論計算の結果からも、積層数が8に近い場合に偏波無依存(TE/TM=1)の特性が得られると予測される。この結果より、コラム型量子ドットを活性層に用いることにより、偏波無依存特性を有する半導体光増幅器が実現出来ることが明らかになった。また、波動関数を解析した結果、TM成分の増加は、正孔状態中のlight-hole成分の増加に起因することがわかった。このことは、コラム型ドット中央部における2軸性歪の低下に起因する。また、圧電効果によりTE、TM成分共に遷移強度が低下することもわかった。励起子の束縛エネルギーは、積層数の増加に伴いほぼ線形に低下する。このような、励起子効果による遷移強度スペクトルの補正も行った。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2005 - 2007

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】14550003 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】14750257 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体レーザ / 光通信 / GaAs / 結晶成長 / 量子井戸 / 量子ドット / GaInNAs

【研究成果の概要】

光通信用波長1.55μm帯レーザのGaAs基板上への形成が望まれる.窒素を含むGaInNAsやGaInAs量子ドットが有望だが,波長1.3μmを越えるレーザの実現には,結晶の発光効率の向上が必要である.本研究では,GaAs基板上マ波長1.3μmを越える発光材料の結晶成長特性と発光特性への影響解明を目的とした.
本年は,自己形成量子ドットの発光効率向上のため,結晶成長時の表面エネルギーを変化させるサーファクタントを用いて,結晶歪による転移発生の抑制の可能性について検討を行った.Sbをサーファクタントとして用い,まず,GaInAsドット中への導入を行った.サーファクタントの効果による3次元成長の抑制効果により,量子ドット密度が急激に低減されることを見出した.一方,量子ドットのカバー層であるGaInAsへのSb導入では,発光効率の大幅な向上とともに,発光波長の長波長化を観測した.ドット形成時に,高歪ドット表面からのInの拡散が,Sbのサーファクタント効果により抑制され,ドットの縮小が抑制されたこと,また,サーファクタント効果により,カバー層によるドットへの応力が低減されたためと考えられる.これらの条件を元にInAsドットにSbを含むGaInAsカバー層を形成し,最長1.48μmの室温フォトルミネッセンスを得た.
以上,本年は,Sbを用いてGaInAs量子ドットの長波長化と発光効率の向上を実現した.これまでに検討したGaInNAsとの組み合わせによる,GaAs基板上長波長レーザの実現の可能性を拓いた.

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2002 - 2003

【配分額】3,700千円 (直接経費: 3,700千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】13355015 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】49,660千円 (直接経費: 38,200千円、間接経費: 11,460千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】10305028 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 量子カスケードレーザ / 半導体レーザ / MOCVD / MBE / ナノ構造 / 量子井戸 / ヘテロ構造

【研究成果の概要】

本研究は,将来の集積電子素子と光素子の融合を目指して、ユニポーラーキャリア動作に基づいた量子カスケード構成による1.5μm波長帯の半導体レーザを実現するための、半導体ヘテロ構造について、結晶成長技術および物理的基礎を中心に研究を行うことを目的としている。
伝導帯において大きなバンド不連続性を実現することが可能なGaN/AlGaN系におけるサブバンド間遷移について研究に取り組んだ。まず、AlGaN/GaN単一ヘテロ構造をサファイア基板上に常圧MOCVD法により結晶成長を行った。電子移動度は室温で理論的限界といわれる2000cm2/V.secをほぼ達成した。これは、界面が良質であることを示すものである。
この単一ヘテロ接合構造において、FTIRにより吸収測定を行ったところ、約270meVのところに吸収ピークが得られた。これは第1サブバンドと第2サブバンドのエネルギー差に対応しており、この値は、AlGaAs/GaAs単一ヘテロ接合においては約30meVであるのと比較すると、約一桁大きいものである。これはピエゾ分極の効果によるものである。
さらに、AlGaN/GaN量子井戸において、井戸幅、量子井戸数を変えながら、サブバンド間吸収を測定した。量子井戸の数依存性においては、量子井戸の数が増大すると、歪の緩和が起こる様子が、吸収ピークのエネルギーシフトから明らかになった。また、井戸幅を狭くすることにより、吸収ピークが短波長にシフトすることを見出した。現時点で、最短の波長は1.7μmであり、光通信に適した波長にかなり近づけることが出来た。
これらの結果は、光通信波長帯における量子カスケードレーザやスイッチの実現のの基盤技術の確立の向けてきわめて重要な結果である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】39,000千円 (直接経費: 39,000千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】10750223 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

青色面発光レーザ / 青色量子ドットレーザ / InGaN量子ドット / 有機金属気層成長 / 窒化物半導体 / InGaN量子井戸 / T型量子細線 / 磁気フォトルミネセンス / 量子細線 / 量子ドット / ガリウム砒素 / 分子線エピタキシー / 有機金属気層成長法 / へき開再成長法 / 半導体レーザ

【研究成果の概要】

本研究では、新しい結晶成長法を活用して、ナノ構造に閉じ込められた電子が光と有効に相互作用する新しい微細構造を開発し、ナノ半導体レーザへの道を拓くことを目的として研究を進めてきた。その結果、次のような成果をあげることができた。
(1)T型量子細線の磁気フォトルミネセンス分光
低閾値の量子細線レーザを実現するためには、1次元電子の物性の解明が重要である。我々は、5nm寸法のT型量子細線の磁気フォトルミネセンスを測定し、T細線に閉じ込めれられた電子の波動関数の形状を解析することによって、1次元電子の波動関数の広がりに対する横方向閉じ込め効果を明らかにした。
(2)青色InGaN量子ドットレーザの室温レーザ発振
InGaN量子ドットを活性層に有するレーザは現状のInGaN量子井戸レーザよりもさらに特性が向上することが期待されている。本研究では、InGaNの自己組織化現象を利用した独自のInGaN量子ドットの作成法を開発し、青色レーザに応用した。その結果、InGaN量子ドットを活性層に有するレーザ構造を試作し、光励起によってレーザ発振を初めて実現した。
(3)青色InGaN量子井戸面発光レーザの光励起レーザ発振
窒化ガリウム(GaN)を用いた青色の半導体レーザが国内外で開発され、デジタル・ビデオ・ディス(DVD)どの高密度光記録用の光源として利用されつつある。この高密度光記録の読み出し速度を高速にするために、青色面発光レーザへの期待が高まっている。筆者は、有機金属気層成長(MOCVD)法に改良を加え、反射率97%の半導体ミラーを作製するなど、青色面発光レーザの主要な作製技術を確立した結果、InGaN面発光型レーザの室温レーザ発振に成功した。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】10355004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / MOCVD / MBE / 半導体レーザ / 自己組織化 / GaN / 量子効果 / InAs / 半導体 / ナノ構造

【研究成果の概要】

本研究は、研究代表者が長年取り組んできた量子ドットレーザについて、実用化を目指してその素子技術の確立を図ることを目的として遂行されている。
まず、InGaAs自己形成量子ドットについて、実用化に重要な光通信用波長帯である13.-1.5μm帯発光をめざして結晶成長の最適化を行った。その結果、世界で最も長い1.5mmの発光波長を実現することに成功した。これはGaAs上に成長したInAs量子ドットをGaAsではなくInGaAsで埋め込み歪効果を抑制したためである。さらに、量子ドットとフォトニック結晶を組み合わせた量子ドットレーザ構造を作製することができた。これは、選択成長により量子ドットを形成する領域を制限したためである。
一方、理論的にワイドギャップ半導体レーザにおいては、量子ドットレーザを導入することによる特性改善の効果が、大きくなることを示すことができた。 GaN系量子ドットレーザにおいては、GaAs系量子ドットレーザと比べると、約一桁異大きい改善率が得られることが明かとなった。さらに、新しい非反転分布型レーザの概念を明らかにした。
さらに、 GaN上にInGaN量子ドット形成のための結晶成長技術の確立をはかり、これにもとづき青色量子ドットレーザを作製した。その結果、光励起ではあるが室温でレーザ発振に青色量子ドットレーザとしては世界で初めて成功した。また、紫外発光レーザをめざして、 AlN上のGaN量子ドットの形成をSiC上に減圧成長で達成することに成功した。フォトルミネッセンス測定により発光を確認した。
以上、本研究の遂行により、量子ドットレーザの試作を行うとともに、それにかかわる材料技術基盤の確立をはかることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】33,700千円 (直接経費: 33,700千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】06555100 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / 微小共振器 / レーザ / 化合物半導体 / 光デバイス / 歪構造 / 半導体レーザ / 量子ドット / ステップエッジ

【研究成果の概要】

21世紀の超高速大容量光情報伝送や光情報処理の実現のためには、時間軸と空間軸の両方において高密度化が可能な光源の開発が不可欠である。しかし実現の道はそれほど近くはない。したがって、このような次世代光技術をささえるために新たな半導体レーザを開拓し、その技術を確立することは急務といわざるを得ない。
本試験研究では、上述の究極レーザのひとつとして、量子細線を活性層に有する垂直型微小共振器レーザをこれまでの本研究者の実績をふまえて試作し、その高性能性を明らかにする。これにより「量子微小レーザ」が超高密度(時間的・空間的)集積光システムの中心になり得ることを実証し、次世代の集積レーザのあり方が浮き彫りにする。
本研究計画で得られた成果は,量子ドットの作製技術としては,(1)形成の初期過程の観察(2)自然配列化(3)新しい作製法の開拓(4)微小共振器量子ドットレーザ作製(5)壁開面上への量子細線の選択成長について成果を挙げるとともに,ナノメートルスケールの光・電子相互作用の解明として(6)近接場光顕微鏡による量子ドットの光学評価(7)マイクロフォトルミネッセンスによる2次元電子ガスとポイントコンタクト構造における電子の噴出現象の可視化を進めた。さらに,(8)共振器ポラリトンにおける励起子-励起子散乱の効果の解明(9)微小共振器中の量子井戸における磁気励起子効果の観測(10)2次元フォトニック結晶における新欠陥構造の提案など,共振器効果についても重要な知見を得ることができた。
これらに加えて垂直共振器型量子細線レーザおよび垂直共振器型量子ドットレーザを試作し,光ポンピングによる低温レーザ発振に成功した。
本研究成果はナノ構造を有する半導体レーザの実用性の可能性を明らかにしたものであり,今後のデバイス技術の発展に大きく寄与するものである。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】13,200千円 (直接経費: 13,200千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】05452194 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子細線 / 量子箱 / 歪構造 / MOCVD / 量子ドット / 半導体レーザ / 微小共振器 / ステップエッジ

【研究成果の概要】

本研究では、新たに「歪(ひずみ)」の効果を量子細線や量子ドットに導入することにより、半導体レーザの超高速化を図ることを目的として基礎研究を行う。そのために歪量子細線や量子ドットなどいわゆる「歪量子マイクロ構造」をMOCVD選択成長法を用いて実現する。さらにこれらの技術に基づき、電子・光物性を実験的に明かに歪量子マイクロ構造を有するレーザ(すなわち歪量子細線レーザおよび歪量子ドットレーザ)の実現を図り、このレーザが超高密度(時間的・空間的)次世代集積光システムの中心になり得ることを実証することをめざす。本研究により、次世代の超高性能レーザのあり方が浮き彫りになるとともに、ナノ構造デバイスの実現化の道が切り開かれることが期待できる。
具体的効果は次のとおりである。(1)歪量子ドットをMOCVD法を用いた自然形成法を用いて作製し、その光物性を明らかにした。そのサイズは15nmであり、この手法によって作製されたものとしては世界最小である。特に、自然形成法の問題点である位置の制御、密度の制御について研究をすすめた。特にステップバンチング現象を用いてマルチステップエッジを直線的に形成し、この上に量子ドットを成長させる。これにより量子ドットの配列化が可能となった。(2)選択成長法を用いて歪量子細線を作製した。(3)微小共振器を有する歪量子細線レーザを世界で初めて作製し、77Kにおけるレーザ発振に成功ひた。
本研究でえられた成果は次世代の半導体レーザの発展にきわめて有用である。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1993 - 1994

【配分額】6,800千円 (直接経費: 6,800千円)

【研究分野】電子機器工学

【研究領域課題番号】04555083 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体レーザ / 量子細線 / MOCVD / 微小共振器 / 半導体レ-ザ / 量子マイクロ構造 / 量子井戸 / 量子ドット / ガリウムひ素 / インジウムガリウムひ素

【研究成果の概要】

21世紀の超高速大容量光情報伝送や光情報処理の実現のためには、時間軸と空間軸の両方において高密度化が可能な光源の開発が不可欠である。これまで、空間軸上では、面発光レーザを用いた2次元集積アレイ化が試みられている。しかし、消費電力を抑えるためにしきい値電流を下げるという課題が残っている。一方、時間軸上では100GHz以上の変調が必要であるが実現の道はそれほど近くはない。
本研究では、本研究代表者のこれまでの研究実積に基づき、量子細線レーザーの実現のための作製技術の確立をはかり、このレーザが超高密度(時間的・空間的)集積光システムの中心になり得ることを実証することをめざしてきている。本研究により、次世代の集積超レーザのあり方が浮き彫りになるとともに、ナノ構造デバイスの実用化の道を切り開くことができる。
本年度は、MOCVD選択成長によりファブリペロ-共振器を有する歪量子細線レーザを作製し、光励起実験を低温で行った。さらに、これらの技術を踏まえて、垂直微小共振器構造を有する歪量子細線レーザを試作することに成功した。微小共振器効果が存在することを、フォトルミネッセンス測定を通じて確認するとともに、77Kにおいて光励起実験を行った。これらの結果は、電子と光子を3次元的に閉じ込めた突極のレーザである「微小量子レーザ」の実現への第一歩として位置付けることができ、また、実用化への道を開くものである。当初の目的は十分達成されたと考えられる。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】12,100千円 (直接経費: 12,100千円)

【研究分野】電子機器工学

【研究領域課題番号】03452178 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マイクロ共振器 / 半導体レーザ / 量子細線 / 量子ドット / 励起子 / 選択成長 / MOCVD / 量子効果 / 垂直共振器 / 量子井戸レ-ザ / 量子箱 / フォトルミネッセンス / 半導体レ-ザ

【研究成果の概要】

本研究では、半導体レーザにおいて電子波と光波の両方の量子場の完全制御をおこない、次世代の超高性能レーザのあり方を浮き彫りにすることを目的として、電子波を完全に制御する量子構造(量子井戸、または量子細線・量子箱)と、光波を完全に制御する3次元的なマイクロ光共振器を有する量子マイクロ共振器レーザの作製技術の開拓とこのようにモードが完全に制御された光の場と電子波との相互作用の理論的・実験的究明をおこなった。
まず、量子細線・量子ドットの作製技術の確立をめざして、MOCVD選択成長によるGaAs量子細線・量子ドットの実現をはかり、その光学的性質を明らかにした。その結果、一辺が7nm程度のGaAs電子細線および横寸法25nmの量子ドットを作製することに成功した。さらにさまざまな寸法の量子細線を作製について、そのフォトルミネッセンス(PL)、PL励起スペクトルの測定を行い、量子準位に対応したピークのブルーシフトが得られることを示した。さらに、励起子の寿命を測定し、量子細線閉じ込めが強くなると、長くなるとを見いだした。
一方、半導体マイクロ共振器効果については、垂直共振器の反射スペクトルにおいて、励起子モードと共振器モードの結合による共振モードの分離現象を観測した。その結果、励起子モードと共振器モードのエネルギーが一致しているとき、結合効果によるスペクトルの分離を観測することに成功した。この現象は真空Rabi振動と解釈できる。さらに、選択成長を用いてエッチング技術を用いずに3次元マイクロ共振器の作製を試みた。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1991 - 1992

【配分額】6,300千円 (直接経費: 6,300千円)