分子線エピタキシー法による1μm波長帯GaN/AlN量子カスケードレーザの開発

采用分子束外延法开发1μm波段GaN/AlN量子级联激光器

• 批准号: 13750315
• 负责人: 菊池 昭彦
• 金额: $ 1.34万
• 依托单位: Sophia University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2001
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2001 至 2002
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13750315/
• 关键词: 量子準位間遷移; ガリウムナイトライド; アルミニウムナイトライド; 分子線エピタキシー; 光通信; 半導体レーザ; 量子カスケードレーザ; 共鳴トンネルダイオード

本研究では、AlN/GaN系超格子を用いた光通信波長帯(1.55〜1.3μm)量子カスケードレーザを実現するための基礎技術の開発を行った。AlNおよびGaN薄膜結晶の成長にはRFプラズマで励起された窒素ガスを窒素源とする分子線エピタキシー(RF-MBE)法を用いた。カスケードレーザの電流注入機構の基本となるGaN/AlN二重障壁共鳴トンネルダイオード構造を作製し、室温における明瞭な微分負性抵抗の観測に初めて成功した。ピークバレイ比32という極めて大きな値が得られ、原子層レベルの膜厚制御技術が確認された。カスケードレーザの電極層となる高Al組成AlN/GaN超格子結晶における高濃度n型ドーピングを実現するため、Siのバルクおよびデルタドーピングを試み、数分子層厚のGaN井戸層への2x10^<20>cm^<-3>という高濃度ドーピングに成功した。同時にポテンシャル形状のシミュレーションを行い、ドーピング方法と濃度がサブバンド間遷移(ISBT)波長に及ぼす影響を明らかにした。高濃度ドーピングを行った292周期のAlN(11ML)/GaN(4ML)超格子結晶を用い、波長1.55μmのフェムト秒レーザによるポンプアンドプローブ法で超高速吸収緩和時間の観測に成功し、170フェムト秒の超高速緩和と1.1ピコ秒の遅い緩和の2つの過程が存在することを見出した。吸収緩和はp偏波にのみ観測され、ISBTによる吸収緩和であることが確認された。光通信波長帯におけるGaN系光導波路の理論解析と基礎パラメータの測定(実効屈折率および自由キャリア吸収)を行い、GaN光導波路による方向性結合器を試作し、GaN系光導波路の有用性を実証した。さらに、AlN/GaN超格子を有する窒化物系光導波路構造において、波長1.55μmのレーザ光に対するISBT吸収の観測にも成功した。

在这项研究中，我们开发了一种利用AlN/GaN超晶格实现光通信波长带（1.55-1.3μm）的量子级联激光器的基础技术。采用射频等离子体激发的氮气作为氮源的分子束外延（RF-MBE）技术用于生长AlN和GaN薄膜晶体。我们制备了GaN/AlN双势垒谐振隧道二极管结构，这是级联激光器电流注入机制的基础，并首次成功地在室温下观察到明显的微分负电阻。获得了32的极大峰谷比，证实了原子层水平的膜厚控制技术。为了在作为级联激光器电极层的高Al组分AlN/GaN超晶格晶体中实现高浓度n型掺杂，尝试了Si的体掺杂和δ掺杂，并成功掺杂了2x10^<20 >cm^<-3>的高浓度。同时，我们对势形状进行了模拟，并阐明了掺杂方法和浓度对子带间跃迁（ISBT）波长的影响。使用具有 292 个周期的高掺杂 AlN (11 ML)/GaN (4 ML) 超晶格晶体，我们使用波长为 1.55 μm 的飞秒激光，通过泵浦和探测方法成功观察到了超快吸收弛豫时间。有两个过程：数秒的超快弛豫和1.1皮秒的慢速弛豫。仅对p偏振波观察到吸收弛豫，并且确认了吸收弛豫是由ISBT引起的。我们对光通信波段内的GaN基光波导的基本参数（有效折射率和自由载流子吸收）进行了理论分析和测量，制作了使用GaN基光波导的定向耦合器原型，并证明了GaN基光波导的实用性。基于光波导做到了。此外，我们成功地观察到具有AlN/GaN超晶格的氮化物基光波导结构中波长为1.55μm的激光的ISBT吸收。

项目成果

Katsumi Kishino et al.: "Improved molecular beam epitaxy for fabricating AIGaN/GaN heterojunction devices"physica status solidi (a). (to be published). (2002)

Katsumi Kishino 等人：“用于制造 AIGaN/GaN 异质结器件的改进分子束外延”物理状态固体 (a)。

Kazuhide Kusakabe et al.: "Reduction of threading dislocations in migration enhanced epitaxy grown GaN with N-polarity by use of AIN multiple interlayer"Journal of Crystal Growth. 230. 387-391 (2001)

Kazuhide Kusakabe 等人：“通过使用 AIN 多层中间层减少迁移增强外延生长的 N 极性 GaN 中的螺纹位错”《晶体生长杂志》。

Katsumi Kishino et al.: "Intersubband absorption at λ〜1.2-1.6μm in GaN/AIN multiple quantum wells grown by rf-plasma molecular beam epitaxy"physica status solidi. (to be published). (2002)

Katsumi Kishino 等人：“通过射频等离子体分子束外延生长的 GaN/AlN 多量子阱中 λ〜1.2-1.6μm 处的子带吸收”物理状态固体（即将出版）。

Masao Yonemaru et al.: "Improved responsivity of AIGaN-based resonant cavity-enhanced UV-photodetectors grown on sapphire by RF-MBE"physica status solidi. (to be published). (2002)

Masao Yonemaru 等人：“通过 RF-MBE 提高了在蓝宝石上生长的基于 AIGaN 的谐振腔增强型 UV 光电探测器的响应度”物理状态固体。

K.Kusakabe, et al.: "Overgrowth of GaN layer on GaN nano-columns by RF-molecular beam epitaxy"Journal of Crystal Growth. 237・2. 988-992 (2002)

K. Kusakabe 等人：“通过 RF 分子束外延在 GaN 纳米柱上生长 GaN 层”《晶体生长杂志》237・2（2002 年）。