Research and development on terahertz-LED using sublattice reversal epitaxy

亚晶格反转外延太赫兹LED的研发

• 批准号: 19H02200
• 负责人: 北田 貴弘
• 金额: $ 11.07万
• 依托单位: The University of Tokushima
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2019
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2019-04-01 至 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-19H02200/
• 关键词: 電子デバイス・機器; テラヘルツ／赤外材料・素子; 半導体非線形光学デバイス

３つのブラッグ反射多層膜と２つの共振器層で構成する半導体結合共振器を使ったテラヘルツLEDの開発を進めている。電流注入による赤外二波長レーザ発振とその差周波発生を同一素子内で行うことを原理とする。差周波発生を最大限に高める分極反転型の結合共振器薄膜の作製は、高指数面基板上の副格子交換エピタキシー成長技術を利用する。放熱特性に優れた素子構造とすることで出力を高め、スペクトル計測を実現する。本年度は、昨年度に引き続き下部共振器層に電流注入を行う素子の試作とその発光特性評価を行って、放熱特性に優れる素子の実現を目指した。(001)と(113)Bエピウエハの直接接合による結合共振器薄膜を使って、下部共振器層に電流注入を行う面発光素子を試作した。本構造の形成には、２段階のメサエッチングが必要で、１段階目で剥き出しとなった表面に上部p電極をリフトオフプロセスで形成し、裏面にn電極を設けた。昨年度の試作で問題となった１段階目のメサとp電極の隙間に生じる光学損失を低減するため、横方向エッチングによるサイズ縮小を考慮したマスクパターンを新たに作製して用いた。接触抵抗のばらつきをもたらすエッチングの不均一は、スターラーを用いて改善した。試作素子は、室温パルス電流駆動で赤外レーザ発振した。閾値電流は25 mA程度と良好であったが、駆動電圧は15 V以上と非常に高かった。1段階目のメサエッチングで高濃度ドープのコンタクト層を剥き出しにすることに問題があったと思われる。量子井戸の発光波長が共振器モードよりも長波長側であったために長波側モードのみで発振した。二波長発振を得るために素子を冷却して評価したところ、光学窓内で形成される横モードによる複数ピークが顕著に観測された。これは、p電極にコンタクトしている層の抵抗が高く、窓中央部への注入電流が外周付近よりも小さいことにい起因していると考えられる。

我们正在开发一种使用半导体耦合谐振器的太赫兹 LED，该谐振器由三个布拉格反射多层膜和两个谐振器层组成。其原理是通过电流注入并在同一元件内产生差频来进行红外双波长激光振荡。极化耦合谐振器薄膜的制造最大化了差频产生，利用高折射率衬底上的亚晶格交换外延生长技术。该元件结构具有优异的散热特性，可提高输出并实现光谱测量。今年，继去年之后，我们制作了向下谐振器层注入电流的器件原型，并评估了其发光特性，旨在打造具有出色散热特性的器件。使用通过直接键合 (001) 和 (113)B 外延晶片形成的耦合谐振器薄膜，我们制作了一种表面发射器件原型，该器件将电流注入下谐振器层。该结构的形成需要两步台面蚀刻，其中在第一步中通过剥离工艺在暴露表面上形成上p电极，并在背面上设置n电极。为了减少在第一级台面和p电极之间的间隙中出现的光学损耗（这是去年原型生产中的一个问题），创建并使用了一种新的掩模图案，该图案考虑到通过横向蚀刻。使用搅拌器改善了导致接触电阻变化的蚀刻不均匀性。该原型设备在室温下使用脉冲电流驱动产生红外激光振荡。虽然阈值电流约为 25 mA，但驱动电压极高，超过 15 V。看来在第一台面蚀刻步骤期间暴露高掺杂接触层存在问题。由于量子阱的发射波长位于比谐振器模式更长的波长侧，因此仅在长波长侧模式中发生振荡。当设备冷却并评估以获得双波长振荡时，可以清楚地观察到由于光学窗口内形成的横向模式而产生的多个峰。这被认为是由于与p电极接触的层的电阻高，并且注入到窗口的中心部分的电流比外周附近的电流小。

项目成果

高速キャリア緩和InAs量子ドット積層構造を用いた光伝導アンテナのテラヘルツ波発生特性

采用快速载流子弛豫InAs量子点堆叠结构的光电导天线的太赫兹波产生特性

• 发表时间: 2020
• 作者: 南 康夫;阿部 広睦;盧 翔孟;熊谷 直人;北田 貴弘
• 通讯作者: 北田 貴弘

Mobility and activation energy of lateral photocurrent of InAs quantum dot layers with ultrafast carrier relaxation

超快载流子弛豫InAs量子点层横向光电流迁移率和活化能

• DOI: 10.1016/j.physe.2020.114478
• 发表时间: 2020
• 期刊: Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures
• 作者: Naoto Kumagai;Xiangmeng Lu;Yasuo Minami;Takahiro Kitada;and Toshiro Isu
• 通讯作者: and Toshiro Isu

Time-resolved measurements of two-color laser light emitted from GaAs/AlGaAs-coupled multilayer cavity

GaAs/AlGaAs 耦合多层腔发射的双色激光的时间分辨测量

• DOI: 10.7567/1347-4065/ab238c
• 发表时间: 2019
• 期刊: Japanese Journal of Applied Physics
• 影响因子: 1.5
• 作者: Minami Yasuo;Ogusu Kotaro;Lu Xiangmeng;Kumagai Naoto;Morita Ken;Kitada Takahiro
• 通讯作者: Kitada Takahiro

Sublattice Reversal Epitaxy on High-Index Substrates for Novel Planar-Type Nonlinear Optical Devices

用于新型平面型非线性光学器件的高折射率衬底上的亚晶格反转外延

• DOI: 10.2472/jsms.68.739
• 发表时间: 2019
• 期刊: Journal of the Society of Materials Science, Japan
• 作者: KITADA Takahiro;LU Xiangmeng;MINAMI Yasuo;KUMAGAI Naoto;MORITA Ken
• 通讯作者: MORITA Ken

Sublattice reversal in GaAs/Ge/GaAs and AlAs/Ge/AlAs heterostructures grown on (1?1?3)A and (1?1?3)B GaAs substrates

在 (1?1?3)A 和 (1?1?3)B GaAs 衬底上生长的 GaAs/Ge/GaAs 和 AlAs/Ge/AlAs 异质结构中的亚晶格反转

• DOI: 10.1016/j.jcrysgro.2019.02.010
• 发表时间: 2019
• 期刊: Journal of Crystal Growth
• 影响因子: 1.8
• 作者: Xiangmeng Lu;Yasuo Minami and Takahiro Kitada
• 通讯作者: Yasuo Minami and Takahiro Kitada