次世代光デバイスに向けた3次元自己組織化量子ドット超格子に関する研究

下一代光学器件三维自组织量子点超晶格研究

基本信息

批准号：
09J03170
负责人：
高田彩未
金额：
$ 1.34万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2011
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-09J03170/
关键词：
量子ドット III-V族化合物半導体結晶成長分子線エピタキシー法

项目摘要

半導体量子ドットは、キャリアをナノメートル領域に3次元的に閉じ込めることができ、巨大な光非線形性を利用して種々の光デバイスの性能向上が期待できる。本研究では、GaAs基板上InAs自己組織化量子ドットを用いた光デバイスへの応用を目指し、中間層にGaNAs材料を用いた歪み補償法による量子ドットの高密度化(多重積層化)技術の開発を行っている。しかし、GaNAs結晶は窒素が局在化しやすく均質な結晶の作製が困難な材料である。そこで、従来のAs_4分子線に替え、As_2分子線を用いることによって結晶品質が改善されることを明らかにし、また異なるAs分子線種がGaNAs上InAs量子ドットに与える影響について調べたところ、その形成過程に大きな違いがあることを明らかにしてきた。本年度は、以上の結果を基にGaAs基板上InAs/GaNAs多重積層量子ドットの成長条件最適化を行い、As_2分子線を用いて試料の作製を行った。さらにこれらの積層数を10,30,50層と変化させた量子ドット試料における光学利得の評価を行った。評価法はデバイス構造に依存しない、結晶そのものの利得を見積もることが可能な、光励起によるVariable Stripe-Length法を用いた。その結果、層数が増加するとともに光学利得はほぼ線形的に増大した。測定条件としては、励起強度密度が比較的小さく、通常のデバイス動作時の電流注入量に比べ少ないキャリア注入ではあるが、無積層のGaAs上InAs量子ドットの光学利得係数よりも大きな値が得られる結果となった。これは高品質な量子ドットの多重積層化ができている結果であり、また歪み補償技術を用いることで、GaAs基板上IriAs/GaNAs量子ドットの光学利得特性はさらなる増大が可能であることを示している。以上より、歪み補償法を用いた多重積層量子ドットは高利得材料として期待される。今後はInAs/GaNAs材料系においてデバイスプロセス工程の最適化が課題となる。

半导体量子点可以在纳米区域中三维局限于载体，并有望通过利用巨大的光学非线性来改善各种光学设备的性能。在这项研究中，我们使用GANAS材料为中间层开发了一项针对高密度（多个分层）量子点的技术，旨在将其应用于GAAS基板上的INAS自组装量子点的光学设备。但是，甘纳斯晶体是容易定位氮的材料，难以产生均匀的晶体。因此，据揭示，使用AS_2分子束代替常规的AS_4分子束可以改善晶体质量，当我们研究不同AS_2分子束类型对INAS量子点对GANAS的影响时，我们揭示了其形成过程中存在显着差异。基于上述结果，对GAAS基板上的INAS/GANAS多层量子点进行了优化的生长条件，并使用AS_2分子束制备样品。此外，在量子点样品中评估了光学增益，这些层的数量被更改为10、30和50层。评估方法使用光激发变量长度方法，该方法与设备结构无关，并允许晶体估计具有晶体本身的增益。结果，光学增益与层数几乎线性增加。作为测量条件，激发强度密度相对较小，尽管载体注入小于正常设备操作过程中电流注入的量，但值大于GAAS上非层压INAS量子点的光学增益系数。这是高质量量子点多堆叠的结果，还表明，通过使用应变补偿技术，可以进一步增加GAAS基板上irias/ganas量子点的光学增益特性。基于上述，使用应变补偿方法的多个堆叠量子点有望是高增益材料。将来，INAS/GANAS材料的设备过程过程的优化将成为一个挑战。