量子井戸サブバンド間遷移を用いた窒化物半導体モノポーラ光デバイスの基礎研究

利用量子阱子带间跃迁的氮化物半导体单极光学器件的基础研究

基本信息

批准号：
09750389
负责人：
菊池昭彦
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Sophia University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1997
资助国家：
日本
起止时间：
1997 至 1998
项目状态：
已结题

项目摘要

窒化物半導体であるGaNとAlNの大きな伝導帯オフセットを近赤外光領域における量子準位間遷移光デバイスへ適用し、優れた耐環境性や波長安定性を有する光デバイスの開発を目指し、分子線エピタキシー(MBE)法による窒化物半導体結晶成長に関する研究を行った。1. MEE法によるGaNの高品質化Ga原子の表面拡散を促進するMigration Enhanced Epitaxy(MEE)法によりGaNを成長するとピット等の無い良好な表面モホロジーが得られることを見出した。MEE法で成長したGaN上に通常のMBE法でGaN:Siを成長した。室温ホトルミネッセンス半値全幅は31meV、室温移動度は372cm^2/Vs(キャリア濃度1.2x10^<17>cm^<-3>)であり、MBE法でAl_2O_3基板上に成長したGaNでは最高レベルの値が得られた。2. GaNの2.6μm/hr高速度成長基板面への活性窒素供給量を増加することにより、2.6μm/hrというMBE法では世界的にも例を見ない高速度でGaNの成長を行った。高速度で成長したGaN結晶の品質は、電気的・光学的特性から見ても低成長速度の場合に対し遜色無く、MBE法による厚膜光デバイスの作製が可能であることを示した。3. InGaN/GaN多重量子井戸、GaN/AlN超格子の試作Gaを連続照射中に活性窒素を断続的に供給するシャッター制御法を用いて15周期のInGaN/GaN多重量子井戸構造を作製したところ、基板温度750℃という高温でもInの取込みが確認され、ヘテロ界面での成長中断無しでデバイス構造の作製が可能であることが示された。X線回折測定では明瞭な高次回折ピークが観察され、良好な界面と周期性を有する多重量子井戸構造の形成が確認された。また、GaNはシャッター制御法、AlNはMEE法を用いてGaN/AlN超格子を成長し、RHEED観測により平坦な成長が行われていることを確認した。4. GaN結晶の表面モホロジーの改善MBE法により成長したGaN結晶は一般に反転ドメイン構造を多く含む窒素極性膜であり、窒素極性膜は表面の平坦性や化学的な安定性でGa極性膜に劣る。ここでは成長初期過程の制御でMBE法でもGa極性を持つ極めて平坦でピット等の無いGaNをAl_2O_3基板上に成長する可能性を見出した。今後はこのGa極性膜を用い、周期の異なるGaN/AlN超格子構造を作製し、ヘテロ界面の評価や量子準位間遷移の光物性の測定等を行う。

我们的目标是将氮化物半导体 GaN 和 AlN 的大导带偏移应用于近红外区域的量子能级跃迁光学器件，开发具有优异的耐环境性和波长稳定性的光学器件。我们对氮化物半导体晶体进行了研究。采用线外延（MBE）方法生长。 1.使用MEE方法提高GaN的质量我们发现，当使用迁移增强外延（MEE）方法生长GaN时，可以促进Ga原子的表面扩散，可以获得良好的无凹坑的表面形貌。 GaN:Si 使用传统的 MBE 方法在使用 MEE 方法生长的 GaN 上生长。室温光致发光半峰全宽为31meV，室温迁移率为372cm^2/Vs（载流子浓度1.2x10^<17>cm^<-3>），这是生长在GaN上的最高水平通过MBE法得到了Al_2O_3基质。 2. GaN以2.6μm/小时的速度高速生长通过增加供应到衬底表面的活性氮的量，GaN以2.6μm/小时的高速生长，这在使用MBE方法的世界中是前所未有的。。高速生长的 GaN 晶体的质量在电学和光学性能方面与低生长速率生长的晶体相当，这表明使用 MBE 方法制造厚膜光学器件是可能的。 3. InGaN/GaN 多量子阱和 GaN/AlN 超晶格的原型使用快门控制方法制造了 15 周期 InGaN/GaN 多量子阱结构，该方法在连续 Ga 照射期间间歇性地供应活性氮，甚至确认了 In 的掺入。在750°C的高衬底温度下，表明可以在不中断异质界面生长的情况下制造器件结构。 X射线衍射测量中观察到清晰的高阶衍射峰，证实了具有良好界面和周期性的多量子阱结构的形成。此外，使用GaN的快门控制方法和AlN的MEE方法生长GaN/AlN超晶格，并且RHEED观察证实正在发生平坦生长。 4、改善GaN晶体的表面形貌MBE法生长的GaN晶体一般是含有许多倒置畴结构的氮极性膜，而氮极性膜在表面平整度和化学稳定性方面均不如Ga极性膜。在这里，我们发现通过使用MBE方法控制初始生长过程，可以在Al_2O_3衬底上生长极其平坦、无凹坑的具有Ga极性的GaN。未来，我们将利用这种Ga极性薄膜来制作不同周期的GaN/AlN超晶格结构，并评估异质界面并测量量子能级之间跃迁的光学性质。