InAs/GaAs量子ドットの二峰性サイズ分布を排除し1.3µm量子ドットレーザーを実現

概要

活性層エンジニアリングの最近の進展により、半導体量子ドット（QD）レーザーの性能が大幅に向上している。GaAs基板上に自己組織化成長したInAs QDは1.3µmレーザーの主要プラットフォームだが、二峰性サイズ分布の存在が均一性とデバイス歩留まりを阻害している。本研究では、680℃での単層高温アニールが二峰性サイズを効果的に抑制し、狭いフォトルミネッセンス（PL）線幅（< 26 meV）と均一な密度3.2 × 10¹⁰ cm^-2を持つQDを得られることを実証した。その結果、ファブリ・ペロー（F-P）レーザーは連続波動作で1.3µmにおいて110 A cm^-2という低閾値電流密度を達成した。

はじめに

最初の1.3µm QDレーザーが登場してから10年が経過したが、成長技術の実質的な進歩によってその潜在能力が完全に引き出されたのは最近のことである。高密度で良好に制御されたQDは、低消費電力、高温、高速動作に不可欠であり、InAs/GaAsシステムを次世代光インターコネクトの有力候補としている。しかし、InAsとGaAsの大きな格子ミスマッチ（~7%）はしばしば二峰性サイズ分布を生じさせ、発光スペクトルを拡大しレーザー性能を低下させる。このサイズ二峰性の排除は、高品質・低閾値デバイス実現のために極めて重要である。

分子線エピタキシー（MBE）によるGaAs(001)上へのInAs成長は、ストランスキー・クラスタノフ（SK）機構に従い、堆積速度と成長温度で調整可能な三次元島を形成する。従来の戦略（高InAsフラックス、低基板温度）はドット密度を高めるが、格子欠陥を導入しPL強度を低下させる。対照的に、成長後の単層アニールは欠陥を修復し、ドットサイズを均質化し、キャップ層の結晶品質を向上させることが、本研究で示されている。

材料最適化

すべての試料をVeeco Gen 930 MBEシステムでGaAs(001)（N+）基板上に成長させた。4枚のテストウェーハ（N170813、N170824A-C）をそれぞれ630、680、730、780℃でアニールし、同一成長パラメータ（表1）とした。

フォトルミネッセンス測定で、680℃で最も強いPL強度を観測（図1）。アニール温度上昇に伴い余分なAsとGaが脱離し、表面欠陥が減少するとともにQD格子の完全性が保たれる。

異なるアニール温度でのフォトルミネッセンススペクトル比較。

主要成長パラメータを最適化：砒素圧力を4 × 10^-7 Torr、InAs堆積速度を0.025 ML s^-1に設定。520℃で2.5 ML InAs層を成長し、5 nm In_0.15Ga_0.85Asでキャップ、続いて520℃で15 nm GaAs、最後に630℃で20 nm GaAs層を成長（図2a）。

活性領域構造とその室温PLスペクトル：1305 nmピーク、31 nm半値全幅（FWHM）。

アニール済み試料のAFM像（図3a）は、均一なQD密度3.2 × 10¹⁰ cm^-2と平均高さ8 nmを示す。対照的に、非アニール試料（図3b）は二峰性分布（5-7 nm）と低い密度2.9 × 10¹⁰ cm^-2を示す。

AFM像：（a）アニールあり、（b）アニールなし、（c）アニールありサイズ分布、（d）アニールなしサイズ分布。

アニールはドットサイズを均質化するだけでなく、GaAsキャップ層を修復し、そうでなければQD層に伝播する転位を低減する。結果として1.3µm発光スペクトルが狭まり、PLピーク1308 nm、31 nm FWHMを得た。

デバイス設計と作製

レーザースタックは、5層のInAs QDを1.8 µmのAl_0.45Ga_0.55As導波層（n型Si: 2 × 10¹⁸ cm^-3、p型Be: 4 × 10¹⁸ cm^-3）で挟んだ構造。200 nmのp⁺ GaAs（Be: 3 × 10¹⁹ cm^-3）層が低抵抗コンタクトを提供（図4a）。

デバイス構造：（a）エピタキシャル層；（b）室温PL、1294 nmピーク。

エピタキシー後、上部クラッディングを化学薄膜化（H₃PO₄-H₂O₂-H₂O 1:1:4）。このステップでPLピークが1294 nmにシフトする。これはより高い成長温度（650℃）とIn_0.15Ga_0.85Asキャップでのインジウムドリフトによる。

フォトリソグラフィで100 µmリッジを定義し、ICPで2 µmエッチング、260 nm SiO₂（PECVD）で絶縁。コンタクトウィンドウ（90 µm）を開口し、Ti/Pt/Au（51/94.7/1122 nm）電極を表面にスパッタ。ウェーハを120 µmまで薄膜化し、裏面に50 nm AuGeNi（80:10:10 wt%）合金と300 nm Auを蒸着してn型電極とした。460℃、10秒アニールでオーミックコンタクトを形成。

SEM断面：2 µm GaAs/AlGaAsエッチ深さ、260 nm PECVD SiO₂。

電気的・光学的性能を室温CWで測定。デバイスは閾値電流密度110 A cm^-2、レーザー波長1.3µm中心で発振（図6）。発振ピークのPLに対する赤方シフトは動作時の自己発熱に起因。ファセットコーティングや活性領域ドーピングなしでこの性能を達成し、単層アニールによる高い結晶品質を裏付ける。

デバイス測定：（a）P-I-V曲線；（b）1.3µmでの発振スペクトル。

結論

成長とアニール条件を体系的に最適化することで、InAs/GaAs QDの二峰性サイズ分布を排除することに成功した。QD層から20 nm上方での最適単層アニール（680℃）により、均一なドットアンサンブルと高密度3.2 × 10¹⁰ cm^-2を得た。その結果、室温連続波動作で1.3µmファブリ・ペローレーザーが閾値電流密度110 A cm^-2を達成し、このアプローチが高性能QDレーザー応用に実用的であることを実証した。

略語

AFM:

原子間力顕微鏡

Annealing T:

アニール温度

CW:

連続波

F-P:

ファブリ・ペロー

FWHM:

半値全幅

Growth T:

成長温度

HT:

高温

LT:

低温

MBE:

分子線エピタキシー

PL:

フォトルミネッセンス

QD:

量子ドット

RT:

室温

SEM:

走査型電子顕微鏡

WPE:

壁面プラグ効率