東京工業大学 田辺直之，齋藤侑祐，近藤弘規，渡辺正裕 シリコン量子井戸サブバンド間遷移レーザの活性層構造設計と評価 Active layer design and characterization of Si quantum-well intersubband transition lasers 東京工業大学 田辺直之，齋藤侑祐，近藤弘規，渡辺正裕

研究背景・目的 目標 Si量子井戸を発光源とするサブバンド間遷移レーザの実現 2 シリコンフォトニクス Siベースの光源は実現されていない シリコン系レーザの研究例 種類 原理・特徴 発光 ラマンレーザ 光励起だが, 2005年にIntelがPIN構造を用いたデバイスで室温連続発振.[1] ◎ 連続発振 Erドープ Si-Rich酸化物のEr添加により室温で発光. 発振にはErの高濃度化が課題.[2] ○ 反転分布 GeSn合金 光励起だが, GeとSnの合金化によりSi基板上で直接遷移レーザ発振.[3] Si/SiGe Si基板上にGe量子ドットを成長し, 電子とホールの再結合により発光. △ EL, PL シリコンフォトニクス 高集積・高制御性を持つエレクトロニクス高速・低消費電力のフォトニクスの融合 Siベースの光源は実現されていない 目標 近年、化合物半導体をSi光導波路に直接接合する Hybridレーザ[4]や, InAs量子ドットレーザ[5]も発振例. Siの量子ドット化による直接遷移化は直径＜1nmで期待されるもEg＞３eVで電流注入に課題. Si量子井戸を発光源とするサブバンド間遷移レーザの実現 Si-LSIプロセスとの親和性 明確な発光原理 電流注入型 高速な緩和時間（~fsec)による高速応答性 量子井戸の膜厚設計により, 幅広い 波長帯　(1.5~3μm)をカバー [1] Nature 433, 725-728 (2005) [2] Opt. Express 18, 2230–2235 (2010) [3] Nat. Photonics 9, 88–92 (2015) [4] Opt. Express 14, 9203 (2006) [5] Appl. Phys. Lett. 104, 041104 (2014)

現在までに報告されているQCLの動作温度-発振波長[7] 3 サブバンド間遷移レーザ [7] M. S. Vitiello et al., Opt. Express 23, 5167 (2015)より改変 動作原理 発光層 注入層 引き抜き層 3 2 1 電子 e-   n-Si Si 現在までに報告されているQCLの動作温度-発振波長[7] 素子構造 (1) 発光層で3→2の遷移で発光 (2) フォノン散乱で2→1へ引き抜かれる そこで、本研究グループでは、Siを量子井戸材料として用いるサブバンド間遷移レーザを提案し、原理検証、および、基盤技術の研究開発を行ってきました。従来、シリコンは間接遷移型半導体であることから、バンド間遷移による発光遷移確率はきわめて小さいものとなり発光素子実現の妨げになってきましたが、同一量子井戸内のサブバンド間遷移においては有意な電気双極子モーメントを有するため、適切な準位制御により反転分布を実現すれば、光増幅が期待できます。 動作原理は左下の図になります。原理としましては、共鳴トンネルにより電子が注入層を通って、準位3に入りますと、発光層では準位3から準位2へサブバンド間遷移発光し、その後引き抜き層における高速なフォノン散乱で準位1に引きぬくことにより、準位3と2の間に反転分布を形成し光ゲインを得ます。このように、注入層・発光層・引き抜き層を1周期として、これが複数段繰り返してレーザ発振に必要な光ゲインを得る構造となっています。 特徴として、多周期化により高出力化が可能である、また膜厚設計により波長を制御できるといった点があります。 こちらのレーザ構造につきましては、1990年代に初めてレーザ発振が観測された後、20年以上に渡ってIII-V族系の材料で近赤外からTHz帯まで多数の発振例があります。こちらのグラフは、横軸に波長を、縦軸に動作温度をプロットしたものです。右側のテラヘルツ帯の領域では、現在の最高動作温度が200K弱と、室温での連続発振が期待されるところですが、主に中赤外の領域では室温でレーザ発振が報告されております。本研究でターゲットとする1~3um帯のレーザは、光通信波長帯をカバーする点に加えて、現状室温でレーザ発振が達成されていないことから、非常に意義のあるものと考えております。 本研究における素子構造はこのようになっており、電流注入が可能で、スラブ型の導波路を持つ構造となっています。 特徴 多周期化による高出力化が可能 層厚設計により波長を制御 量子井戸内での明確な発光原理 活性層と上下のSi光閉じ込め層でコアを形成 Si-OCL層により活性層へ電流注入

理論解析 活性層モードプロファイル ξ～34% 屈折率 Si : 3.5 Act. : 3.1 SiO2 : 1.4 (Air) SiO2 78nm ξ～34% 屈折率 Si : 3.5 Act. : 3.1 SiO2 : 1.4 Si 80nm Si 100nm z (Air) Clad SiO2 活性層（78nm） n-Si（100nm） n-Si（80nm） Waveguide Core 3.1 Air SiO2 3.5 Clad 1.4 屈折率 閾値電流密度　Jth ξ = 34 % Jth(5) = 0.63[kA/cm2] ： 光閉じ込め係数 R12 ： ダイポールモーメント(QW内波動関数より算出) τ ： サブバンド内散乱時間 τS ： サブバンド間散乱時間 閾値電流密度Jthの周期数依存性

これまで（１） 5 150mA 先行研究 100mA 課題 原因 対策 原子層超薄膜における補正 ・３原子層までのデータを先行研究で推定 Pulse 1 kHz Duty 50% RT  100mA 150mA Wavelength [μm] Intensity [a.u] [8] 越智達也, 修士論文(2013) 先行研究 ・室温で電流注入に起因する発光を観測 ・周期数増加に伴うEL発光強度の増大を確認 課題 ・設計波長よりも短波長側での発光が大きい ・レーザ発振に至っていない 電流注入量依存性[8] 原因 [9] 瀬川美奈人, 修士論文(2014) Pulse 1 kHz Duty 50% RT  ⇒ 意図とは異なる準位への電子注入と予想 続いて、先行研究と本研究の目的ですが、これまでの成果として右のグラフにある通り、電流量や活性層の周期数に依存するEL発光強度の増大を確認しております。一方、課題として挙げられるのが、設計波長よりも短波長側での発光が多いという点、また閾値を超える電流量を注入してもレーザ発振に至っていない、という2点があります。 そこで、この原因を、発光層の下位準位に電子が溜まってしまい、発光遷移が妨げられるため、設計の意図とは異なる大きなエネルギーギャップを有する次段の注入層で発光遷移をしているものと考えました。 したがって、本研究では、電子を引き抜く箇所の量子井戸材料に、従来のSiと比べて緩和時間の短いイオン性結晶であるCdF2を導入し、発光層での発光遷移を増大させ、光ゲインに寄与しない無駄な発光遷移を抑制することで最終的に反転分布形成を目指します。 対策 原子層超薄膜における補正 　・３原子層までのデータを先行研究で推定 　・活性層の構造設計に反映 活性層周期数依存性[9]

望月他, 2015 年度秋季第76 回応用物理学会, 13p-PA6-1. これまで（２） CaF2:2ML CaF2の物性値補正（暫定的に3MLの物性パラメータを採用）により設計波長付近の発光ピークが最大に！ 課題 活性層バンドプロファイル 設計波長以外での発光ピーク依然多数 ⇒設計に用いているCaF2の膜厚2MLの物性 　 パラメータが得られていないため準位設 　 計がいまだ正確でない これまで本研究室では引き抜き層にSiと比べて緩和時間が1/100と短いCdF2を使用して、室温EL発光を観測しています。また同研究室によりCaF2 の膜厚に依存した物性パラメータが報告されており、レーザ設計に用いている2MLに最も近い3MLの物性パラメータを暫定的に採用することで、設計波長付近での発光が確認できています。一方で、いまだに設計波長以外での発光がみられることから、CaF2 2MLの物性パラメータを設計に用いていないため、準位設計が正確でないことが考えられます。そこで本研究の目的として1つ目は、数原子層厚の均一なCaF2障壁層を形成し2MLの物性パラメータを特定すること、そして2つ目はSi量子井戸内のエネルギー準位の間隔を評価し、得られた物性パラメータの妥当性を評価します。 本研究の目的 数原子層厚の均一なCaF2障壁層の形成し2MLの物性パラメータの特定 Si量子井戸内のエネルギー準位の間隔を評価し、得られた物性値の妥当性を評価 室温ELスペクトル 望月他, 2015 年度秋季第76 回応用物理学会, 13p-PA6-1.

目的1:単一障壁CaF2の均一性と物性パラメータ評価 tCaF2 素子構造と原理 n-Si基板から電子注入 結晶成長領域の直径Φ=100nm,500nm,2μmの3種類を 　　形成し検証 トンネル電流が素子面積に比例しているかを検証⇒均一性評価 電子に対する障壁の高さΔECの見積もり (for tCaF2＝0.62nm(2ML), 0.93nm(3ML)) まず目的1の数原子層厚の均一なCaF2障壁層の形成と物性パラメータの特定についてです。本構造はn-Si基板上にCaF2と電極を蒸着させた構造となっており、n-Si基板から電子注入を行います。結晶成長領域の大きさを3種類、試料上に形成しますが、このときのトンネル電流が素子面積に比例しているか検証することで、膜厚の均一性を評価します。この検証はCaF2膜厚2MLと3MLについて行い、またその電流量によりそれぞれの膜厚のΔEcの高さの見積もりを行います。

材料構成と結晶成長 MBE装置 Si/CaF2ヘテロ界面バンドプロファイル ΔEC=2.3eV (バルク) Preparation 12eV chamber Deposition 12eV CaF2 Si Ec Ev 1.1eV ΔEC=2.3eV 　　　　(バルク) Si CaF2 結晶構造 ダイヤモンド 蛍石 格子定数[Å] 5.431 5.462 Siとの格子不整合@RT [%] +0.6 Si/CaF2ヘテロ構造のTEM格子像 CaF2 続きまして、本研究で扱っている材料系について説明します。障壁として用いるCaF2は室温においてSiとの格子不整合差が0.6％と小さく、結晶構造も類似しているため、Si基板上にMBE法による結晶成長が可能です。また、SiとCaF2 の伝導帯のバンド不連続が非常に大きいため、顕著な量子効果が期待でき、室温動作や近赤外光発光での設計に有利な材料系であるといえます。 Si Siとの格子整合 →Si基板上にエピタキシャル成長が可能 伝導帯バンド不連続が大きい →室温動作,近赤外光応用に有利な 　　深い量子井戸 CaF2 Si　Sub. 2nm

作製プロセス SEM像 直径Φ=100nm 基板洗浄(有機洗浄＋SPM) 熱酸化(wet, 900℃,20min) SiO2：50nm Si.sub（111） 基板洗浄(有機洗浄＋SPM) 熱酸化(wet, 900℃,20min) SiO2：50nm EB(2μm,500nm,100nm)　 BHFで穴開け、酸化保護膜形成 SEM像 直径Φ=100nm n-Si(111) SiO2 n-Si(111) SiO2 作製プロセスです。n-Si基盤を有機洗浄とSPM洗浄を行い、wet酸化により900℃で20分間熱酸化を行います。これにより、約50nmのSiO2が形成されます。そしてEB露光装置によりマスクパターンを形成し、BHFにより直径100nm～2μmの穴を開けます。そして保護酸化膜を形成し、基盤をMBE装置にいれ、結晶成長を行います。最後に金属電極を蒸着し、リフトオフを行い、素子の完成となります。 結晶成長 (CaF2/Si/CaF2 or CaF2) 金属電極蒸着

CaF2単一障壁構造の電流電圧特性 均一なトンネル障壁形成を確認 CaF2２MLのパラメータの抽出(ΔEc=1.0eV) 500nm 100nm 理論：膜厚 2ML 理論：膜厚3ML φ=100nm 500nm 2μm RT CaF2物性パラメータの膜厚依存性 K.Suda, et al., JJAP, 54,04DJ05(2015) まずこちらの図にはCaF2膜厚2MLと3MLの理論解析結果を示しています。続いてそれぞれの膜厚ごとの測定結果を示します。このように各膜圧で素子の大きさによらない電流密度が得られたことが確認できます。また同研究室により、CaF2の物性パラメータは膜厚に依存し、膜厚が小さいほど伝導帯バンド不連続が小さくなるという報告があり、こちらの図に表すように3MLの理論解析についてはこちらのパラメータを用いて行いました。一方でCaF2 2MLについては物性パラメータが解明されていませんが、伝導帯バンド不連続ΔEcが1.0eVのとき一致させることができ、同研究室の報告の傾向に沿うような結果となりました。以上より、均一なトンネル障壁の形成を確認し、CaF2膜厚2MLの時の物性パラメータを抽出することができました。 素子面積に比例した電流を観測 電流密度は素子面積によらずほぼ一定 均一なトンネル障壁形成を確認 CaF2２MLのパラメータの抽出(ΔEc=1.0eV)

ΔEC 原子層薄膜化による ΔEC, m* の変化 バルク周期結晶：有効質量近似 ⇒ 原子層薄膜化(＜～3ML) ⇒ 真空中の離散準位へ Ca Ca Ca Ca Ca Si Si Si Si Si Si Si Si ΔEC バルク周期結晶：有効質量近似 　　　　　　⇒　原子層薄膜化(＜～3ML) 　　　　　　　　　　　　　　　⇒　真空中の離散準位へ

原子層薄膜化による ΔEC, m* の変化 バルク周期結晶：有効質量近似 ⇒ 原子層薄膜化(＜～3ML) ⇒ 真空中の離散準位へ Ca Ca Si Si Si Si Si Si Si Si バルク周期結晶：有効質量近似 　　　　　　⇒　原子層薄膜化(＜～3ML) 　　　　　　　　　　　　　　　⇒　真空中の離散準位へ

目的2:Si/CaF2量子井戸構造のエネルギー準位評価 素子構造と設計方法 条件① CaF2:2ML 膜厚 0.93nm(3ML) 3.1nm(10ML) 0.62nm(2ML) ΔEC=1.5eV, m*=1.0 λ=4.14μm 注入層 発光層 引き抜き層 条件② 材料 CaF2(2ML) Si(4ML) 物性パラメータが得られたので今度は、目的2のSi/CaF2量子井戸構造のエネルギー準位の評価を行い、得られた物性パラメータの妥当性を評価します。まず、設計方法を説明します。こちらの図は以前、本研究室で設計したレーザのバンド図です。今回の実験では、このレーザ設計を参考にして量子井戸構造の設計を行いました。まず、条件1として、レーザの発光層を、条件2は注入層の量子井戸構造を参考にしました。 活性層バンド図 サブバンド間遷移レーザを構成する注入層、発光層、引き抜き層を意識して膜厚設計

CaF2/Si/CaF2 二重障壁共鳴トンネルダイオードのマルチ電流ピーク フラットバンド b) 第１電流ピーク c) 第２電流ピーク I-V特性概略図 続きまして、評価方法を説明します。まず(a)には2重障壁トンネルダイオードのフラットバンド図を表しています。この構造に電流を流すには、n-Si基盤の電子のエネルギーと共鳴エネルギーが一致した時です。まずx[V]印加すると (b)のように、電子のエネルギーと量子井戸の第一準位が一致して、電流が流れます。そしてさらに印加電圧を大きくしていき、y[V]印加した時(c)のように今度は電子のエネルギーと量子井戸の第二準位が一致して電流が流れます。この時のIV特性をこちらの図で表しており、このピーク電圧の間隔で評価を行います。 ピーク電圧の間隔によって評価

バンドエンジニアリングによる動作モード設計： 共鳴トンネルダイオード動作と不揮発メモリ動作 バンドエンジニアリングによる動作モード設計： 　　　　共鳴トンネルダイオード動作と不揮発メモリ動作 CaF2 CaF2 p-Si Si e- nc-n-Si nc-Si e- n-Si Si Si Si量子井戸への電荷蓄積なし 第2障壁層の導入により Si量子井戸への電荷蓄積あり RTD動作（不揮発メモリ動作なし） 微分負性抵抗を伴う 不揮発メモリ動作を発現

目的2:条件①実験結果 tCaF2=2MLのときΔEc=1.0eVで良好なフィッティング ΔVp ピーク電圧 間隔（ΔVp） 測定 測定結果 1.64 RT 1.11 ΔVp 膜厚 0.93nm(3ML) 3.1nm(10ML) 0.62nm(2ML) ピーク電圧 間隔（ΔVp） 測定 0.53V 理論 0.56V 理論解析結果 1.07 まず、条件1の測定結果です。その測定結果を右上の図に表しています。こちらの大きな2つのピークに着目し、これらの差をVpとすると値は0.53Vでした。また右下の図は理論解析結果となっており、得られた物性パラメータを用いています。その結果第一ピーク電圧と第二ピーク電圧の差は0.56Vとなり測定結果と概ね一致しました。 tCaF2=2MLのときΔEc=1.0eVで良好なフィッティング 0.508

目的2:条件②実験結果 ΔVp ピーク電圧 間隔（ΔVp） 測定 1.4V 理論(tSi=5ML) 理論(tSi=4ML) 1.8V 測定結果 目的2:条件②実験結果 3.88 ΔVp RT 材料 CaF2(2ML) Si(4ML) 3.02 2.48 ピーク電圧 間隔（ΔVp） 測定 1.4V 理論(tSi=5ML) 理論(tSi=4ML) 1.8V Si膜厚ごとのピーク電圧の値 2.01 続いて条件②の測定結果です。測定結果を右上の図に示します。ピークが3つ以上確認でき、Si膜厚のばらつきがあることが考えられます。先程と同様にピーク電圧差による評価を行います。赤い三角で示した2つのピーク差をVpとすると1.4Vでした。また右下の図には理論解析におけるSi量子井戸膜厚ごとの第一ピーク電圧と第二ピーク電圧の値をまとめたものを示します。測定結果と一致するSi膜厚を探すと、膜厚が5MLの場合、ピーク電圧の差は1.4Vなので一致しました。つまり実際にはSiは5ML積まれていたと考えられます。また測定結果の左側の赤い三角のピークと青い三角のピークに着目すると、差は約0.5Vです。同様にして右下の図でこれに当てはまるピーク電圧の差を探すと、5MLの第一ピーク電圧と2MLの第一ピーク電圧の差が約0.6Vと概ね一致します。よって以上の結果より、この2重障壁トンネルダイオードのSi量子井戸層は2MLと5MLの部分が存在することが考えられます。 3つ以上のピークを確認 →Si層厚のばらつきを示唆 成長初期過程の核形成を反映か? ピーク差によってフィッテングを行なったところ、Si膜厚2MLと5MLに相当（実験は4ML） 1.22 0.615

結論 数原子層厚の均一なCaF2障壁層の形成と物性値評価 面積依存性のない均一なCaF2の膜厚の成長を確認 CaF2パラメータ抽出：tCaF2=2MLの時ΔEc=1.0eV Si/CaF2 2重障壁共鳴トンネル構造のNDR評価 室温微分負性抵抗を確認し、ピーク電圧差からパラメータの妥当性を検証 今後の方針 結論と今後の方針です。結論はここに表す通りです。今後の方針はCaF2の膜厚2MLの制御性の向上とその後レーザ構造を作製し、評価を行います。 以上です。ご静聴ありがとうございました。 CaF2の膜厚2ML, 1MLの等価ΔEC,m*の確定 補正パラメータを用いてメモリ構造およびQCL活性層構造の設計・作製・評価