3次元マイクロ共振器を有する量子井戸レ-ザの基礎研究

三维微腔量子阱激光器基础研究

• 批准号: 02650283
• 负责人: 荒川 泰彦
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for General Scientific Research (C)
• 财政年份: 1990
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1990 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-02650283/
• 关键词: 量子細線; 量子井戸箱; MOCVD; 電子ビ-ム; GaAs; バンド理論; 半導体レ-ザ

電子は量子力学的な効果により波動としての性質を示す。半導体微細加工技術の進展に伴い、このような電子の波動性に基づく新しい物理現象(量子サイズ効果)の出現とそのデバイス応用の道がひらき始めている。しかし、現在の量子サイズ効果は主として分子線エピタキシ-法(MBE)や有機金属気相成長法(MOCVD)などのエピタキシャル成長により作製された超薄膜構造中で観測されており、1次元的方向(膜厚方向)に限られている。もし超細線(量子細線)や超微小箱(量子井戸箱)ができ、2次元・3次元的に電子の波動関数の制御が可能となれば、新しい量子効果を実現でき、いわゆるマイクロスケ-ル物理への新しい道を拓くと考えられる。しかし、これまでリソグラフィ技術を用いてこのような多次元量子マイクロ構造の作製の試みがなされてきたが、100オ-ダで精度よく実現することは不可能であった。この問題を克服するためには何らかの化学的選択成長が不可欠であると考えられる。本研究では、有機金属気相成長法(MOCVD法)によるエピタキシャル成長中に、基板上に細く絞った電子ビ-ム(〜5nm)を照射し、照射部分のみを選択的に結晶成長することを試みた。この成長技術(電子誘起MOCVD法)が確立されれば、種々の混晶半導体や不純物濃度の異なった領域を数nmの解像度で作成することが可能になる。また、この結果、TMG、TMA、およびTMGとAsH3などを原料とすることにより、幅1000A程度の細線構造をそれぞれ実現することに成功した。形成メカニズムとしては、基板表面に吸着した有機系原料が、電子ビ-ムにより分解される過程が主となっていると考えられる。また、別な方法として、電子ビ-ム描画法で作製したSiO2パタ-ン上に通常の減圧MOCVD成長を行い、結晶方位に注意しながらAlGaAsとGaAsを交互に成長することにより、細線構造の形成を試みた。その結果、300A^^°程度の埋め込み型細線構造の形成に成功した。さらに、量子井戸箱構造を伴う超高性能半導体レ-ザなどの特性について、強結合法を用いたバンド理論を駆使して解析を行なった。本研究で獲られた成果は、次世代光デバイスの新しい展開をはかるうえできわめて重要なものと考えられる。

由于量子力学效应，电子表现出波动特性。随着半导体微加工技术的进步，一种基于电子波动性的新物理现象（量子尺寸效应）正在出现，其器件应用之路开始开辟。然而，目前的量子尺寸效应主要在通过分子束外延（MBE）和金属有机化学气相沉积（MOCVD）（厚度方向）等外延生长方法制造的超薄膜结构中观察到。如果制造出超细线（量子线）和超小盒子（量子井盒），并且可以在二维和三维空间控制电子的波函数，就可以实现新的量子效应，即所谓的微尺度相信这将为物理学开辟一条新的道路。然而，尽管人们尝试利用光刻技术制造这种多维量子微结构，但仍无法实现100级的精度。某种化学选择性生长被认为对于克服这个问题至关重要。在这项研究中，在使用金属有机化学气相沉积（MOCVD）进行外延生长时，我们用窄聚焦电子束（~5 nm）照射基板，并尝试仅在照射区域选择性地生长晶体。如果这种生长技术（电子诱导MOCVD方法）得以建立，将有可能以几纳米的分辨率制造各种混晶半导体和具有不同杂质浓度的区域。此外，我们还以TMG、TMA、TMG和AsH3为原料，成功实现了宽度约为1000A的细线结构。其主要形成机理被认为是吸附在基板表面的有机原料被电子束分解的过程。另一种方法是在电子束光刻制备的SiO2图案上进行普通的低压MOCVD生长，通过交替生长AlGaAs和GaAs，同时注意晶体取向，可以形成精细的线结构。结果，我们成功形成了约300A^^°的埋入式细线结构。此外，我们利用强耦合方法充分利用能带理论，分析了具有量子阱盒结构的超高性能半导体激光器的特性。这项研究获得的结果被认为对于规划下一代光学器件的新发展极其重要。