バイオテンプレート極限加工による３次元量子ナノ構造の作製と光学デバイスへの応用

通过极端生物模板加工制造三维量子纳米结构及其在光学器件中的应用

• 批准号: 13J08639
• 负责人: 田村 洋典
• 金额: $ 1.73万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013-04-01 至 2016-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13J08639/
• 关键词: GaAs; 光学特性; エレクトロルミネッセンス; LED; 量子ドット; レーザ; バイオテンプレート技術; 中性粒子ビーム技術

3次元GaAs量子ナノ構造はGaAs/AlGaAs積層構造をドライエッチングすることにより作製する。その後、有機金属気相成長法により再成長を行う。最後に、電極を形成し3次元GaAs量子ナノディスク発光ダイオードを作製する。従来は、積層構造作製時のAlGaAsと同じAl濃度のAlGaAsキャップ層で再成長を行っていたが、この対称バリアのGaAs量子ナノ構造を用いて作製した発光ダイオード（LED）は100K付近において電流注入による発光が消失した。そこで、積層構造作製時のAlGaAsよりも高いAl濃度のAlGaAsを用いてキャップ層の再成長を行った。埋め込み再成長のAlGaAsのAl濃度を上げることで、GaAs量子ナノ構造の周りの障壁高さは平面方向よりも垂直方向の方が高くなる。この非対称バリアのGaAs量子ナノ構造を用いて作製した発光ダイオードでは、室温においても電流注入による発光を確認することができた。実際に作製した次元GaAs量子ナノ構造の障壁高さをシミュレーションにより計算した。その結果、対称形バリアの3次元GaAs量子ナノ構造では平面方向及び垂直方向ともに同じバリア高さであるという結果が得られた。一方で、非対称形バリアの3次元GaAs量子ナノ構造の場合では、Al濃度の低いバリアから電流が注入され量子ナノ構造にて再結合をすることがわかった。さらに、高濃度AlのAlGaAsバリアで囲まれているため、バリアと量子ナノ構造のエネルギー準位の差が開いている。そのため、深い閉じ込めによってキャリアがバリアに抜けてにくく、その結果室温まで動作することがわかった。以上のように、本年度はAl濃度の高いAlGaAsバリア層で埋め込み再成長を行うことで、室温で発光する3次元GaAs量子ナノ構造LEDの作製に成功した。また、このメカニズムを解明した。

通过干法刻蚀GaAs/AlGaAs堆叠结构制备三维GaAs量子纳米结构。此后，通过金属有机气相外延进行再生长。最后形成电极，制作出三维GaAs量子纳米盘发光二极管。传统上，再生长是使用​​与堆叠结构制造过程中使用的 AlGaAs 具有相同 Al 浓度的 AlGaAs 盖层进行的，但使用这种对称势垒 GaAs 量子纳米结构制造的发光二极管 (LED) 需要在 100K 左右的电流注入。由光发射引起的冷光消失。因此，使用Al浓度比制造堆叠结构时使用的AlGaAs更高的AlGaAs来再生长盖层。通过增加掩埋再生AlGaAs中的Al浓度，GaAs量子纳米结构周围的势垒高度在垂直方向上变得比在平面方向上更高。在使用这种不对称势垒GaAs量子纳米结构制造的发光二极管中，即使在室温下也证实了由于电流注入而发光。通过模拟计算了实际制备的维度GaAs量子纳米结构的势垒高度。结果，具有对称势垒的三维GaAs量子纳米结构在平面和垂直方向上具有相同的势垒高度。另一方面，在具有不对称势垒的三维GaAs量子纳米结构的情况下，发现电流从具有低Al浓度的势垒注入并在量子纳米结构中重新结合。此外，由于它被高浓度Al的AlGaAs势垒包围，势垒和量子纳米结构之间的能级存在很大差异。因此，人们发现深度限制使得载流子难以穿过势垒逃逸，因此该器件可以在室温下工作。如上所述，今年我们通过用高Al浓度的AlGaAs势垒层进行掩埋再生长，成功制造了在室温下发光的三维GaAs量子纳米结构LED。我们也阐明了这个机制。

项目成果

バイオテンプレート極限加工によるGaAs量子ナノディスクにおけるピコ秒キャリア補足ダイナミクス

通过极端生物模板处理在砷化镓量子纳米盘中实现皮秒载流子捕获动力学

• 发表时间: 2014
• 作者: C. Thomas;K. Yoshikawa;C. Y. Lee;Y. Tamura;A. Higo;T. Kiba;A. Murayama;I. Yamashita and S. Samukawa;肥後昭男，木場隆之，トーマスセドリック，李昌勇，吉川憲一，田村洋典，山下一郎，王云鵬，Hassanet Sodabamlu，杉山正和，中野義昭，村山明宏，寒川誠二;木場隆之，肥後昭男，田村洋典，トーマスセドリック，寒川誠二，村山明宏
• 通讯作者: 木場隆之，肥後昭男，田村洋典，トーマスセドリック，寒川誠二，村山明宏

Fabrication of InGaAs quantum nanodisk light-emitting diodes by fusion top-down process of bio-template and neutral beam etching

生物模板和中性束刻蚀自上而下融合工艺制备InGaAs量子纳米盘发光二极管

• 发表时间: 2015
• 作者: A. Higo;C. Thomas;T. Kiba;J. Takyama;C.Y. Lee;Y. Tamura;I. Yamashita;M. Sugiyama;Y. Nakano;A. Murayama;S. Samukawa
• 通讯作者: S. Samukawa

Low Damage Neutral Beam AlGaN/GaN etching for Recess Gate Fabrication

用于凹槽栅极制造的低损伤中性束 AlGaN/GaN 蚀刻

• 发表时间: 2015
• 作者: A. Higo;C.Y. Lee;J. Ohta;C. Thomas;Y. Tamura;H. Fujioka;and S. Samukawa
• 通讯作者: and S. Samukawa

Full 3D Quantum Energy Level Simulation for GaAs/AlGaAs Quantum Nanodisks Fabricated by Ultimate Top-down Process

采用终极自上而下工艺制造的 GaAs/AlGaAs 量子纳米盘的全 3D 量子能级模拟

• 发表时间: 2014
• 作者: S. Ishii;A. Higo;Y. Tamura;T. Kiba;A. Murayama;Y. Li;S. Samukawa
• 通讯作者: S. Samukawa

Fabrication of InGaAs quantum nanodisk by using Bio-template and neutral beam etching process

利用生物模板和中性束刻蚀工艺制备InGaAs量子纳米盘

• 发表时间: 2014
• 作者: K. Yoshikawa;A. Higo;C. Y. Lee;Y. Tamura;C. Thomas;T. Kiba;S. Ishii;H. Sodabanlu;Y. Wang;M. Sugiyama;Y. Nakano;I. Yamashita;A. Murayama and S. Samukawa
• 通讯作者: A. Murayama and S. Samukawa