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東北大学、高速通信用量子ドットレーザの実現に前進
August 22, 2012, 仙台--東北大学 流体科学研究所（兼 原子分子材料科学高等研究機構）の寒川誠二教授の研究チームは、トップダウン加工でガリウムヒ素(GaAs)の高密度・無欠陥の量子ドットを作製し、その量子ドットからの直接発光を確認した。この成果は、科学技術振興機構(JST)課題達成型基礎研究の一環。
量子ドットは、ナノメートル（nm）の微小な半導体のことで、この半導体ナノ構造を用いた量子ドットレーザは、温度による影響が少なく低消費電力などの特長を持つことから、従来の半導体レーザを凌駕するものとして注目されている。しかし、これまでの光リソグラフィーとプラズマエッチングを用いたトップダウンの加工技術では、ナノメートルオーダーの加工は難しく、また、量子ドット表面に欠陥が多量に生成し、発光効率が著しく劣化するという問題点があった。この損傷を回避するために自己組織的な結晶成長による量子ドット作製法が開発されたが、材料が限定され、サイズ、位置などの制御も難しく、また、形成される量子ドットの密度が低いため、量子ドットレーザが本来持つ高効率な発光強度を多様な波長で実現することが困難だった。
研究チームはこれまで、たんぱく質を用いて配置させた金属微粒子を加工マスク（バイオテンプレート）として、中性粒子ビームを用いた無損傷エッチングにより、高密度・無欠陥のガリウムヒ素の量子ドットを作ることに成功していた。今回、そのガリウムヒ素(GaAs)量子ドット上に、アルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)を界面制御して結晶成長させることにより、量子ドット側壁表面を補修して活性層を作製し、トップダウンで加工した量子ドットが発光することを初めて確認した。
これにより作製されたガリウムヒ素量子ドットは、自己組織的な結晶成長により形成された従来の量子ドットに比べて10倍以上の高密度な量子ドットを簡易に配置制御して形成できるため、量子ドットレーザ構造として画期的なものと言える。理論的には、従来に比べて10倍以上のレーザ光強度と単色化やフレキシブルな材料選択による波長制御が実現でき、高速通信用レーザとして大いに期待され、究極のグリーンテクノロジーとして期待される高効率・量子ドットレーザの実現に向けて前進したと言える。
今回、寒川教授は、山下教授によるたんぱく質＋金属複合体（バイオコンジュゲート）の自己組織化による均一・高面内密度・高均一加工マスク（バイオテンプレート）を用いてガリウムヒ素の中性粒子ビーム無欠陥エッチング技術により作製された高密度・配置制御・ガリウムヒ素量子ドット構造に、東京大学 岡田 至崇教授の結晶界面構造制御技術によりアルミニウムガリウムヒ素を界面制御してエピタキシャル成長注７）することで、トップダウンで加工した量子ドットの極表面に存在するダングリングボンド（未結合手）を補修して活性層を形成し、初めて発光を観察した。
金属微粒子を内包したたんぱく質が、特殊な処理をした表面に自発的に規則正しく配列した構造を作る性質を用いて、金属微粒子を内包したたんぱく質を約20nm程度の間隔でGaAs基板上に高密度（1011cm-2以上）に等間隔に配置。その後、たんぱく質だけを除去して7nm径の均一な金属微粒子を加工マスクとして中性粒子ビームによる無損傷エッチングを行うことにより、室温にて量子効果を示す厚さ数nm、直径を10～20nmに制御した円板構造を、無欠陥、高密度、等間隔（約20nm）で制御して配置した。この加工した円板構造表面に残留するダングリングボンド（未結合手）を、結晶界面構造制御技術を用いたAlGaAsエピタキシャル成長により原子レベルで補修して埋め込むことでGaAs量子ドット構造による活性層を形成。この活性層構造において、北海道大学 村山明宏教授グループのレーザ分光技術により形成した量子ドットからの強い発光を初めて確認した。
この量子ドット作製手法を用いることで、フレキシブルな材料による量子ドット構造を無欠陥で高密度に配置できることから、従来の量子ドットレーザに比べて10倍以上高強度で広範囲な波長によるレーザ発振が期待できる画期的な研究成果といえる。
研究チームは、これらの結果を基に、今回作製した活性層上にクラッド層および電極層を積層して実際に量子ドットレーザを試作し、従来に比べて発光効率が高く単色化されたレーザ発振を実現する予定。この構造を用いることで理論的には、従来に比べて10倍以上のレーザ光強度と単色化が実現でき、また、材料を選択することで広範囲な発振波長が実現できる高速通信用レーザとして大いに期待される。
(研究成果は、「IEEE International Conference on nanotechnology 2012」で発表される)。
量子ドットは、ナノメートル（nm）の微小な半導体のことで、この半導体ナノ構造を用いた量子ドットレーザは、温度による影響が少なく低消費電力などの特長を持つことから、従来の半導体レーザを凌駕するものとして注目されている。しかし、これまでの光リソグラフィーとプラズマエッチングを用いたトップダウンの加工技術では、ナノメートルオーダーの加工は難しく、また、量子ドット表面に欠陥が多量に生成し、発光効率が著しく劣化するという問題点があった。この損傷を回避するために自己組織的な結晶成長による量子ドット作製法が開発されたが、材料が限定され、サイズ、位置などの制御も難しく、また、形成される量子ドットの密度が低いため、量子ドットレーザが本来持つ高効率な発光強度を多様な波長で実現することが困難だった。
研究チームはこれまで、たんぱく質を用いて配置させた金属微粒子を加工マスク（バイオテンプレート）として、中性粒子ビームを用いた無損傷エッチングにより、高密度・無欠陥のガリウムヒ素の量子ドットを作ることに成功していた。今回、そのガリウムヒ素(GaAs)量子ドット上に、アルミニウムガリウムヒ素(AlGaAs)を界面制御して結晶成長させることにより、量子ドット側壁表面を補修して活性層を作製し、トップダウンで加工した量子ドットが発光することを初めて確認した。
これにより作製されたガリウムヒ素量子ドットは、自己組織的な結晶成長により形成された従来の量子ドットに比べて10倍以上の高密度な量子ドットを簡易に配置制御して形成できるため、量子ドットレーザ構造として画期的なものと言える。理論的には、従来に比べて10倍以上のレーザ光強度と単色化やフレキシブルな材料選択による波長制御が実現でき、高速通信用レーザとして大いに期待され、究極のグリーンテクノロジーとして期待される高効率・量子ドットレーザの実現に向けて前進したと言える。
今回、寒川教授は、山下教授によるたんぱく質＋金属複合体（バイオコンジュゲート）の自己組織化による均一・高面内密度・高均一加工マスク（バイオテンプレート）を用いてガリウムヒ素の中性粒子ビーム無欠陥エッチング技術により作製された高密度・配置制御・ガリウムヒ素量子ドット構造に、東京大学 岡田 至崇教授の結晶界面構造制御技術によりアルミニウムガリウムヒ素を界面制御してエピタキシャル成長注７）することで、トップダウンで加工した量子ドットの極表面に存在するダングリングボンド（未結合手）を補修して活性層を形成し、初めて発光を観察した。
金属微粒子を内包したたんぱく質が、特殊な処理をした表面に自発的に規則正しく配列した構造を作る性質を用いて、金属微粒子を内包したたんぱく質を約20nm程度の間隔でGaAs基板上に高密度（1011cm-2以上）に等間隔に配置。その後、たんぱく質だけを除去して7nm径の均一な金属微粒子を加工マスクとして中性粒子ビームによる無損傷エッチングを行うことにより、室温にて量子効果を示す厚さ数nm、直径を10～20nmに制御した円板構造を、無欠陥、高密度、等間隔（約20nm）で制御して配置した。この加工した円板構造表面に残留するダングリングボンド（未結合手）を、結晶界面構造制御技術を用いたAlGaAsエピタキシャル成長により原子レベルで補修して埋め込むことでGaAs量子ドット構造による活性層を形成。この活性層構造において、北海道大学 村山明宏教授グループのレーザ分光技術により形成した量子ドットからの強い発光を初めて確認した。
この量子ドット作製手法を用いることで、フレキシブルな材料による量子ドット構造を無欠陥で高密度に配置できることから、従来の量子ドットレーザに比べて10倍以上高強度で広範囲な波長によるレーザ発振が期待できる画期的な研究成果といえる。
研究チームは、これらの結果を基に、今回作製した活性層上にクラッド層および電極層を積層して実際に量子ドットレーザを試作し、従来に比べて発光効率が高く単色化されたレーザ発振を実現する予定。この構造を用いることで理論的には、従来に比べて10倍以上のレーザ光強度と単色化が実現でき、また、材料を選択することで広範囲な発振波長が実現できる高速通信用レーザとして大いに期待される。
(研究成果は、「IEEE International Conference on nanotechnology 2012」で発表される)。
