(57)【要約】【課題】ＩｎＡｓ量子井戸とＩｎＰ障壁層とによる多重量子井戸構造のナノワイヤによる半導体ナノワイヤレーザーで、実用的な発光強度が得られるようにする。【解決手段】第１工程Ｓ１０１で、基板の上にＩｎからなる種微粒子を成長させ、第２工程Ｓ１０２で、種微粒子よりＩｎＡｓからなる井戸層（量子井戸層）とＩｎＰからなる障壁層とを交互に成長させてナノワイヤ部を成長させる。ナノワイヤ部の成長では、Ｐ原料ガスに対してＩｎ原料ガスの供給量を多くした条件で障壁層を成長し、Ｉｎ原料ガスに対してＡｓ原料ガスの供給量を多くした条件で井戸層を成長する。【選択図】  図１
2018022762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＩｎＡｓからなる井戸層とＩｎＰからなる障壁層とが交互に積層した多重量子井戸構造のナノワイヤ部と、
前記ナノワイヤ部の一方の端部の端面および他方の端部の端面を反射面とするファブリペロー共振器と
を備える半導体ナノワイヤレーザーの製造方法であって、
基板の上に種微粒子を成長させる第１工程と、
前記種微粒子より前記井戸層と前記障壁層とを交互に成長させて前記ナノワイヤ部を成長させる第２工程と、
前記種微粒子を除去する第３工程と、
前記ナノワイヤ部を前記基板より分離する第４工程と
を備え、
前記第２工程では、
Ｐ原料に対してＩｎ原料の供給量を多くした条件で前記障壁層を成長し、
Ｉｎ原料に対してＡｓ原料の供給量を多くした条件で前記井戸層を成長する
ことを特徴とする半導体ナノワイヤレーザーの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の半導体ナノワイヤレーザーの製造方法において、
前記第１工程では、前記基板の上にＩｎからなる前記種微粒子を成長させることを特徴とする半導体ナノワイヤレーザーの製造方法。
【請求項３】
請求項１または２記載の半導体ナノワイヤレーザーの製造方法において、
前記第１工程において、μｍオーダの径の前記種微粒子を形成することを特徴とする半導体ナノワイヤレーザーの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体ナノワイヤレーザーの製造方法において、
前記第２工程において、前記井戸層を３００層以上積層することを特徴とする半導体ナノワイヤレーザーの製造方法。
【請求項５】
ＩｎＡｓからなる井戸層とＩｎＰからなる障壁層とが交互に積層した多重量子井戸構造のナノワイヤ部と、
前記ナノワイヤ部の一方の端部の端面および他方の端部の端面を反射面とするファブリペロー共振器と
を備え、
１．３〜１．６μｍの波長のレーザ光を発振することを特徴とする半導体ナノワイヤレーザー。
【請求項６】
請求項５記載の半導体ナノワイヤレーザにおいて、
前記ナノワイヤ部は、３００層以上の前記井戸層を備えることを特徴とする半導体ナノワイヤレーザー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩｎＡｓの層とＩｎＰの層とが交互に積層したナノワイヤ部を備える半導体ナノワイヤレーザーおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高集積度の光・電子集積回路および「ｂｅｙｏｎｄ  ＣＭＯＳ」とよばれる微細化技術の向上の実現には、マイクロメートルサイズの通信波長帯で発振可能な微小レーザーが必要になる。従来の半導体レーザーは、ほぼｔｏｐ−ｄｏｗｎ法で作製された膜構造である。このレーザー構造は、５５０℃以上の高温で作製されるため、４５０℃以下での作製が要請されるＣＭＯＳなどと集積し難く、かつ、材料の組み合わせが限られるという欠点がある。
【０００３】
一方、半導体ナノワイヤは、ＶＬＳ（Vapor-Liquid-Solid）というボトムアップ法によって作製されることが知られている（非特許文献１）。この半導体ナノワイヤの両端面が平坦であると、この構造がファブリペロー共振器になるため、ナノワイヤでレーザー発振が可能になる。このような半導体ナノワイヤレーザーは、微小であり、集積しやすいため、高集積度の光・電子回路などの応用に非常に有望である。このため、近年、半導体ナノワイヤレーザーが盛んに研究開発されている。
【０００４】
しかし、現在の半導体ナノワイヤ材料は、ＧａＮ，ＣｄＳ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの大きいバンドギャップを持つ半導体に限られ、レーザー発振波長が主に可視光領域あるいは近赤外（＜１μｍ）であり、通信波長帯（１．３−１．６μｍ）に達していない。
【０００５】
これに対し、ＩｎＡｓから活性層となる量子井戸を構成し、ＩｎＰを障壁層とする多重量子井戸構造とすることで、通信波長帯のレーザー発振が可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】C. Thelander et al., "Nanowire-based onedimensional electronics", Materials Today, vol.9, no.10, pp.28-35, 2006.
【非特許文献２】G. Zhang et al., "Bridging the Gap between the Nanometer-Scale Bottom-Up and Micrometer-Scale Top-Down Approaches for Site-Defined InP/InAs Nanowires", ACS Nano, vol.9, no.11, pp.10580-10589, 2015.
【非特許文献３】Guoqiang Zhang et al., "Controlled 1.1.1.6μm luminescence in goldfree multi-stacked InAs/InP heterostructure nanowires", Nanotechnology, vol.26, 115704, 2015.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＩｎＡｓ量子井戸とＩｎＰ障壁層とによる多重量子井戸構造のナノワイヤによる半導体ナノワイヤレーザーで、実用的な発光強度が得られていないという問題があった。
【０００８】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、ＩｎＡｓ量子井戸とＩｎＰ障壁層とによる多重量子井戸構造のナノワイヤによる半導体ナノワイヤレーザーで、実用的な発光強度が得られるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る半導体ナノワイヤレーザーの製造方法は、ＩｎＡｓからなる井戸層とＩｎＰからなる障壁層とが交互に積層した多重量子井戸構造のナノワイヤ部と、ナノワイヤ部の一方の端部の端面および他方の端部の端面を反射面とするファブリペロー共振器とを備える半導体ナノワイヤレーザーの製造方法であって、基板の上に種微粒子を成長させる第１工程と、種微粒子より井戸層と障壁層とを交互に成長させてナノワイヤ部を成長させる第２工程と、種微粒子を除去する第３工程と、ナノワイヤ部を基板より分離する第４工程とを備え、第２工程では、Ｐ原料に対してＩｎ原料の供給量を多くした条件で障壁層を成長し、Ｉｎ原料に対してＡｓ原料の供給量を多くした条件で井戸層を成長する。
【００１０】
上記半導体ナノワイヤレーザーの製造方法において、第１工程では、基板の上にＩｎからなる種微粒子を成長させればよい。
【００１１】
上記半導体ナノワイヤレーザーの製造方法において、第１工程において、μｍオーダの径の種微粒子を形成すればよい。
【００１２】
上記半導体ナノワイヤレーザーの製造方法において、第２工程において、井戸層を３００層以上積層すればよい。
【００１３】
また、本発明に係る半導体ナノワイヤレーザーは、ＩｎＡｓからなる井戸層とＩｎＰからなる障壁層とが交互に積層した多重量子井戸構造のナノワイヤ部と、ナノワイヤ部の一方の端部の端面および他方の端部の端面を反射面とするファブリペロー共振器とを備え、１．３〜１．６μｍの波長のレーザー光を発振する。
【００１４】
上記半導体ナノワイヤレーザーにおいて、ナノワイヤ部は、３００層以上の井戸層を備える。
【発明の効果】
【００１５】
以上説明したように、本発明によれば、ＩｎＡｓ量子井戸とＩｎＰ障壁層とによる多重量子井戸構造のナノワイヤによる半導体ナノワイヤレーザーで、実用的な発光強度が実現できるという優れた効果が得られるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の実施の形態における半導体ナノワイヤレーザーの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【図２】図２は、種微粒子（ａ），（ｂ）およびナノワイヤ部の成長状態を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図３】図３は、ナノワイヤ部の走査型電子顕微鏡写真である。
【図４】図４は、ナノワイヤ部の透過型電子顕微鏡写真である。
【図５】図５は、本発明の実施の形態における半導体ナノワイヤレーザーの構成を示す構成図である。
【図６】図６は、実際に作製した実施の形態における半導体ナノワイヤレーザーの走査型電子顕微鏡写真である。
【図７】図７は、実際に作製した実施の形態における半導体ナノワイヤレーザーのマイクロ−ＰＬ法による光学特性の分析結果を示す特性図である。
【図８】図８は、実際に作製した実施の形態における半導体ナノワイヤレーザーの励起光の照射における光学特性を測定した結果を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における半導体ナノワイヤレーザーの製造方法を説明するためのフローチャートである。
【００１８】
まず、第１工程Ｓ１０１で、基板の上にＩｎからなる種微粒子を成長させる。例えば、主表面を（１１１）Ｂ面としたＩｎＰ基板を用いる。また、例えば、よく知られた有機金属気相成長法により、基板加熱温度などの成長条件などを適宜に設定した状態で、ＩＩＩ族元素であるＩｎの原料ガスを加熱された基板の上に供給することで、種微粒子を成長させることができる。
【００１９】
種微粒子の成長では、上述した基板を有機金属気相成長装置の成膜室内に搬入し、成膜室内である程度の温度（例えば５００℃程度）まで加熱する。この状態で、加熱した基板の上に、Ｉｎの原料ガスであるトリメチルインジウム［Ｉｎ（ＣＨ3）3、trimethylindium；ＴＭＩｎ］を供給する。供給された原料ガスは、加熱されている基板の表面で分解し、分解により生成したＩｎＰ原子が、基板表面を拡散し、図２の（ａ），（ｂ）に示すように、最終的に種微粒子になる。
【００２０】
次に、第２工程Ｓ１０２で、種微粒子よりＩｎＡｓからなる井戸層（量子井戸層）とＩｎＰからなる障壁層とを交互に成長させてナノワイヤ部を成長させる［図２（ｃ）］。例えば、上記種微粒子の形成に引き続き、同一の成膜室内で有機金属気相成長法により、成長温度を３２０〜３３０℃程度に変更してナノワイヤ部を成長させる。このように、比較的高い温度で種微粒子を成長させ（seedステップ）、引き続き同一成膜室内で、成長温度を低くしてナノワイヤ部を成長させる（growステップ）２ステップの成長法は「seed and grow」とよばれる方法である（非特許文献２参照）。
【００２１】
上述した「growステップ」となる第２工程Ｓ１０２におけるナノワイヤ部の成長では、加熱されている基板の上に、Ｉｎの原料ガス，Ｐの原料ガスの供給、およびＩｎの原料ガス，Ａｓの原料ガスの供給を、交互に繰り返すことで、Ｉｎからなる種微粒子より、ＩｎＡｓからなる井戸層とＩｎＰからなる障壁層とが交互に積層されたナノワイヤ部を成長させればよい。このように、成長させる半導体を構成する材料を種微粒子として用いる自己触媒法（self-assisted VLS）によりナノワイヤ部を成長させることで、純度の高いナノワイヤ部が得られる（非特許文献３参照）。
【００２２】
例えば、一般に種微粒子にはＡｕなどの金属が用いられている。この場合、成長中に金微粒子から金原子が不純物としてナノワイヤ部に取り込まれる可能性がある。このＡｕからなる不純物は、非発光中心として動き、ナノワイヤにおけるの電気・光特性の劣化を引き起こす原因とされている。これに対し、上述した自己触媒法によれば、非発光中心などとなる不純物が導入されることがない。
【００２３】
ここで、上述したナノワイヤ部の成長では、Ｐ原料ガスに対してＩｎ原料ガスの供給量を多くした条件で障壁層を成長し、Ｉｎ原料ガスに対してＡｓ原料ガスの供給量を多くした条件で井戸層を成長する。
【００２４】
例えば、障壁層の成長では、ＴＭＩｎを３．０２６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ターシャリーブチル燐（tertiarybutylphosphine、ＴＢＰ）を８０４μｍｏｌ／ｍｉｎで供給する。この場合、Ｖ／ＩＩＩ比は、２６５となる。一般に、ＩｎＰの成長では、各原料の供給は、ＴＭＩｎを０．７６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＢＰを８０４μｍｏｌ／ｍｉｎとしている。この場合、Ｖ／ＩＩＩ比は、１０６２となる。これに対し、実施の形態では、はるかに多くのＴＭＩｎを供給し、Ｖ／ＩＩＩ比を小さくしている。なお、ＴＭＩｎの代わりにＤＡＤＩ（Dimethylaminopropyl-dimethyl-indium）を用いてもよい。また、ＴＢＰの代わりに、ＰＨ3を用いてもよい。
【００２５】
また、井戸層の成長では、ＴＭＩｎを３．０２６μｍｏｌ／ｍｉｎ、ターシャリーブチルヒ素（tertiarybutylarsenic；ＴＢＡ）を４４６μｍｏｌ／ｍｉｎで供給する。この場合、Ｖ／ＩＩＩ比は、１４７．５となる。一般に、ＩｎＡｓの成長では、各原料の供給比は、ＴＭＩｎを４．５４μｍｏｌ／ｍｉｎ、ＴＢＡを４４．６μｍｏｌ／ｍｉｎとしている。この場合、Ｖ／ＩＩＩ比は、９．８となる。これに対し、実施の形態では、より大きなＶ／ＩＩＩ比としている。なお、ＴＢＡの代わりにＡｓＨ3を用いてもよい。
【００２６】
各層の形成において、上述した供給原料のＶ／ＩＩＩ比とすることで、例えば、井戸層においてはＡｓ空孔などの点欠陥の形成が抑制されるようになり、また、３００を超える積層数の多重量子井戸構造が実現できるようになる。実際に作製したナノワイヤ部の走査型電子顕微鏡写真を図３に示し、透過型電子顕微鏡写真を図４に示す。図３に示すように、ナノワイヤ部が主表面を（１１１）Ｂ面としたＩｎＰ基板の上に成長している。また、図３，図４に示すように、井戸層の層数を４００として井戸層と障壁層とが交互に積層されたヘテロ接合による多重量子井戸構造のナノワイヤ部が形成されている。また、ナノワイヤ部の先端には、ＩｎからなるＩｎからなる種微粒子が存在している。ナノワイヤ部の直径は、１．２±０．２μｍであり、長さは、１２〜１５μｍである。
【００２７】
ここで、第１工程Ｓ１０１で形成する種微粒子は、〜１μｍ程度とμｍオーダの径にするとよい。一般に、自己触媒法によるナノワイヤの成長では、ｎｍオーダの径の種微粒子が用いられているが、μｍオーダの大きな径の種微粒子を用いることで、均一な径のナノワイヤ部が得られる。実施の形態におけるナノワイヤ部を構成するＩｎＡｓの層およびＩｎＰの層は、量子効果が発現される程度に薄いため、成長中に種微粒子の径が保たれる。また、このように径が維持された状態で、〜１０μｍの長さに多重量子井戸構造のナノワイヤ部が成長できる。
【００２８】
次に、第３工程Ｓ１０３で、成長させたナノワイヤ部より種微粒子を除去し、第４工程Ｓ１０４で、ナノワイヤ部を基板より分離する。
【００２９】
上述した製造方法により、図５に示すように、ＩｎＡｓからなる井戸層１０１とＩｎＰからなる障壁層１０２とが交互に積層した多重量子井戸構造のナノワイヤ部１０３と、ナノワイヤ部１０３の一方の端部の端面および他方の端部の端面を反射面１１１，反射面１１２とするファブリペロー共振器とを備える、半導体ナノワイヤレーザーが得られる。励起光の照射や、電流注入によるキャリア注入によりレーザー発振が得られる。
【００３０】
一般的に、ナノワイヤの両端面の反射率がそれほど高くないため、ナノワイヤで形成されるファブリペロー共振器のＱ値は低く、レーザー発振は困難であると思われる。これに対し、上述したように４００の井戸層（活性層）を積層した多重量子井戸層とすることで、高い光増幅効果が得られ、１．３〜１．６μｍの波長のレーザーが発振できるようになる。なお、井戸層の積層数が３００程度であれば、レーザーが発振されることを確認している。
【００３１】
上述した実施の形態によれば、発振波長を１．１〜１．６μｍの範囲で調整することが可能である。これは、量子閉じ込め効果によるものである。実際に作製した半導体ナノワイヤレーザーを、Ａｕ薄膜を形成したシリコン基板の上に配置し［図６（ａ）］、マイクロ−ＰＬ法により光学特性を分析した。図６の（ｂ）は、実際のレーザー発振が得られた半導体ナノワイヤレーザーの走査型電子顕微鏡写真である。図６の（ｂ）に示すように、種微粒子が取り除かれており、ナノワイヤ部の両端面が平坦であり、ファブリペロー共振器の構造が得られていることが分かる。分析の結果を図７に示す。励起レーザーの波長は７８５ｎｍであり、パワーは３ｍＷである。得られている発光の波長は、主に通信波長帯にあることが分かる。
【００３２】
次に、実際にレーザー発振をさせた実験の結果について説明する。実験では、まず、表面に酸化シリコンが形成されているシリコン基板を用意し、この表面にＡｕ膜を形成した。次に、形成したＡｕ膜の上に実施の形態における半導体ナノワイヤレーザーを配置し、ここに、顕微鏡を用いたフォトルミネッセンス法を用いて励起光を照射した。
【００３３】
励起光の照射における光学特性を測定した結果、図８に示すように、室温で波長１．５〜１．６μｍ間でのパルスレーザー発振が確認された。なお、図８の（ａ）は、発光の励起光強度依存性を示している。図８の（ａ）に示すように、励起光強度が約７．５ｍＷでレーザー発振が開始されることが分かる。発振波長は１５７３ｎｍである。また、図８の（ｂ）は、input-outputプロットであり、（ｃ）は、Ｌ−Ｌプロットである。図８の（ｂ），（ｃ）に示すように、典型的なレーザー発振特性が確認された。
【００３４】
以上に説明したように、本発明によれば、Ｐ原料に対してＩｎ原料の供給量を多くした条件でＩｎＰの層（障壁層）を成長し、Ｉｎ原料に対してＡｓ原料の供給量を多くした条件でＩｎＡｓの層（井戸層）を成長するようにしたので、ＩｎＡｓの層を３００以上積層した多重量子井戸構造のナノワイヤが得られるようになる。この結果、ＩｎＡｓ量子井戸とＩｎＰ障壁層とによる多重量子井戸構造のナノワイヤによる半導体ナノワイヤレーザーで、実用的な発光強度が得られるようになる。
【００３５】
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。
【符号の説明】
【００３６】
１０１…井戸層、１０２…障壁層、１０３…ナノワイヤ部、１１１，１１２…反射面。
【図１】
2018022762.tif 000003
【図２】
2018022762.tif 000004
【図３】
2018022762.tif 000005
【図４】
2018022762.tif 000006
【図５】
2018022762.tif 000007
【図６】
2018022762.tif 000008
【図７】
2018022762.tif 000009
【図８】
2018022762.tif 000010