GaNAsBiの結晶成長と温度無依存光通信用半導体レーザへの応用

GaNAsBi 晶体生长及其在与温度无关的光通信半导体激光器中的应用

• 批准号: 20J22804
• 负责人: 長谷川 将
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Kyoto Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J22804/
• 关键词: 希釈Bi系III-V族半導体; 希釈N系III-V族半導体; 分子線エピタキシー; ラマン散乱; フォノン・プラズモン相互作用; 光半導体デバイス; 組成傾斜層; 多重量子井戸構造; GaNAsBi; MBE; 多重量子井戸; MQW; GaAsBi; 半導体レーザ; レーザダイオード; 希釈Bi系III-V族半導体; 希釈N系III-V族半導体; 分子線エピタキシー; ラマン散乱; フォノン・プラズモン相互作用; 光半導体デバイス; 組成傾斜層; 多重量子井戸構造; GaNAsBi; MBE; 多重量子井戸; MQW; GaAsBi; 半導体レーザ; レーザダイオード

メインチャンバーのリークおよびAlセルの故障により、レーザーダイオードの製作は行えなかったが、デバイス性能の向上に繋がる有益な知見を得た。前年度の知見を基盤として、ラマン散乱に現れるフォノン・プラズモン相互作用現象をGaAsBi/GaAsヘテロ構造中のキャリア閉じ込め評価に応用した。誘電応答関数モデルに基づくラマンスペクトルの形状解析によって光励起キャリア密度を求めた。Bi組成が1.7%から6.4%の範囲で増加するにつれて光励起キャリア密度は増加した。この結果はGaAsBi/GaAsヘテロ界面の伝導帯オフセットの増加による電子オーバーフローの抑制によって説明できる。更に、ラマン測定の結果とフォトルミネッセンス測定の結果を組み合わせることで、Bi組成4%以上ではキャリア閉じ込めと光学品質がトレードオフの関係にあることを明らかにした。GaAsBi少数キャリアデバイスの性能を改善する方法として、GaAsBi/GaAsヘテロ界面に組成傾斜層を導入することを提案し、その効果を実験的に検証した。組成傾斜層を導入したpinダイオードの開放電圧は、GaInNAs(Sb)などと同等かそれ以上の値まで改善した。また、低温成長開始時に組成傾斜層を導入することで、EL強度は約50倍に増加した。これは成長中断に起因した不純物の取り込みを防ぐことができたためと考えられる。レーザダイオードの前段階として、GaNAsBi/GaAs多重量子井戸発光ダイオードを製作した。前年度の検討を基に、Bi表面再構成の遷移時間を考慮してシャッター制御を行い、量子井戸構造中のNおよびBiの深さ方向の分布を改善した。しかしながら、それら発光ダイオードからは十分な発光効率が得られなかった。四元混晶では、Biが取り込まれる条件を満たしながら、Nの非格子サイトへの取り込みを抑制するための新しい術を探求する必要がある。

尽管由于主腔室内泄漏和Al细胞故障，无法制造激光二极管，但我们获得了有用的知识，从而可以改善设备的性能。根据上一年的发现，在拉曼散射中出现的声子与种类的相互作用现象应用于GAASBI/GAAS异质结构中的载体约束的评估。通过基于介电响应函数模型对拉曼光谱的形状分析来确定光激发载体密度。随着BI组成的增加，光激发载体密度在1.7％至6.4％的范围内增加。由于GAASBI/GAAS杂气界面的导管偏移增加，因此可以通过抑制电子溢流来解释该结果。此外，通过将拉曼测量结果与光致发光测量结果相结合，据表明，载体限制和4％或更多的BI组合物之间存在权衡。作为提高GAASBI少数载体设备性能的一种方法，我们提出了在Gaasbi/Gaas Heterointerface上引入组成梯度层，并通过实验验证了这种效果。带有组成梯度层的销二极管的开路电压已提高到等于或大于gainnas（SB）等的值。此外，通过在低温生长开始时引入组成梯度层，EL强度提高了约50倍。这被认为是因为可能导致生长中断引起的杂质的纳入。作为激光二极管的阶段，制造了GANASBI/GAAS多个量子井发光二极管。根据上一年的研究，考虑到BI表面重建的过渡时间，进行了快门控制，从而改善了量子井结构中N和BI的深度分布。但是，从这些发光二极管中没有获得足够的发光效率。在第四纪混合晶体中，有必要探索新技术，以抑制n纳入非晶格位点，同时满足BI纳入的条件。