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

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。

尽管由于主室泄漏和铝电池故障，我们无法制造激光二极管，但我们获得了有用的知识，这将有助于提高器件性能。基于前一年的知识，我们将拉曼散射中出现的声子-等离子体相互作用现象应用于GaAsBi/GaAs异质结构中载流子限制的评估。通过基于介电响应函数模型的拉曼光谱的形状分析来确定光激发载流子密度。随着Bi成分从1.7%增加到6.4%，光激发载流子密度增加。这一结果可以通过 GaAsBi/GaAs 异质界面导带偏移的增加而抑制电子溢出来解释。此外，通过结合拉曼和光致发光测量的结果，揭示了当Bi组成为4%或更高时，载流子限制和光学质量之间存在权衡。我们提出在GaAsBi/GaAs异质界面引入成分梯度层作为提高GaAsBi少数​​载流子器件性能的方法，并通过实验验证了其效果。具有成分梯度层的pin二极管的开路电压已提高到等于或高于GaInNAs (Sb)的值。此外，通过在低温生长开始时引入成分梯度层，EL 强度增加了约 50 倍。这被认为是因为可以防止因生长中断而导致的杂质的混入。我们制造了 GaNAsBi/GaAs 多量子阱发光二极管，作为激光二极管的初步步骤。在前一年的研究基础上，考虑了Bi表面重构的过渡时间进行快门控制，改善了量子阱结构中N和Bi的深度分布。然而，这些发光二极管无法获得足够的发光效率。在四元混晶中，有必要探索新技术来抑制N向非晶格位点的掺入，同时满足Bi掺入的条件。

项目成果

Raman scattering study of photoexcited plasma in GaAsBi/GaAs heterostructures: Influence of carrier confinement on photoluminescence

GaAsBi/GaAs 异质结构中光激发等离子体的拉曼散射研究：载流子限制对光致发光的影响

• DOI: 10.1016/j.mssp.2023.107543
• 发表时间: 2024-09-14
• 期刊: Materials Science in Semiconductor Processing
• 影响因子: 4.1
• 作者: Sho Hasegawa;N. Hasuike;K. Kanegae;H. Nishinaka;M. Yoshimoto
• 通讯作者: M. Yoshimoto

Improving the photovoltaic properties of GaAs/GaAsBi pin diodes by inserting a compositionally graded layer at the hetero-interface

通过在异质界面插入成分梯度层来提高 GaAs/GaAsBi pin 二极管的光伏特性

• DOI: 10.1088/1361-6641/ac66fa
• 发表时间: 2022
• 影响因子: 1.9
• 作者: Kawata Hiromu;Hasegawa Sho;Nishinaka Hiroyuki;Yoshimoto Masahiro
• 通讯作者: Yoshimoto Masahiro

Deep levels and carrier capture kinetics in n-GaAsBi alloys investigated by deep level transient spectroscopy

通过深能级瞬态光谱研究 n-GaAsBi 合金中的深能级和载流子捕获动力学

• DOI: 10.1088/1361-6463/ac0182
• 发表时间: 2021
• 作者: Fregolent Manuel;Buffolo Matteo;De Santi Carlo;Hasegawa Sho;Matsumura Junta;Nishinaka Hiroyuki;Yoshimoto Masahiro;Meneghesso Gaudenzio;Zanoni Enrico;Meneghini Matteo
• 通讯作者: Meneghini Matteo

ラマン分光法による GaAs/GaAsBi 構造中の光励起キャリアの特性評価

拉曼光谱表征 GaAs/GaAsBi 结构中的光生载流子

• 发表时间: 2022
• 作者: 長谷川将 ; 蓮池紀幸 ; 鐘ケ江一孝 ; 西中浩之 ; 吉本昌広
• 通讯作者: 吉本昌広

パドバ大学(イタリア)

帕多瓦大学（意大利）