光電子融合システムにむけた0.85-1μm帯赤外発光デバイスの開発

タイトル：光電子融合システムに向けた 0.85 μm 帯発光デバイスの開発
所属：電子・情報工学専攻, 電気・電子工学系*
氏名：梅野和行, 古川雄三*, 若原昭浩*
URL http://www.dev.eee.tut.ac.jp/furukawalab/
Single GaAsN/GaPN highly-strained quantum wells (SQWs) with abrupt
heterointerfaces were grown on GaP (001) and misoriented Si (001) substrates by molecular
beam epitaxy (MBE). It was clarified that the GaAsN/GaPN SQW would have the type-I
band alignment at room temperature. Then, a GaAsN/GaP SQW LED were fabricated on the
Si (001) substrate. The LED emits 860-nm-wavelength range infrared. Therefore, the
GaAsN/GaP(N) SQWs are extremely suitable for realization monolithic optoelectronic
integrated systems operating in the communication window around 850-nm.
1. はじめに
シリコン大規模集積回路(LSI)と発光デバイスの融合に
では、プロトタイプとして GaAsN/GaPN 高歪量子井戸の
MBE による Si 基板上 850 nm 帯 LED の開発を目的とした。
る LSI の処理速度向上のみならず、光の並進性を利用した
LSI の三次元集積化ならびに生体視覚機能に学んだ超並列
光電子集積回路[1]の実現に有望である。そのためには、LSI
中への無数の発光デバイスのモノリッシク集積化が要求さ
れる。既に、集積回路製造工程によりモノリッシクに発光
デバイス(LED)を作製することに成功している[2]。その発
光デバイス材料としては、Si に格子整合可能な GaPN 混晶
Band energy (eV)
よる光電子融合システムは、シリコンフォトニクスにおけ
300K
2
CBM
GaAsN
N:3.5%
1
0
VBM
GaPN0.02
GaPN0.02
が有望である[3]。しかしながら、GaPN 混晶における発光
図 1. Si 基板上 GaAsN/GaPN 高歪量子井戸の室温における
過程は N の不純物バンドを反映した擬直接遷移型である
バンドアラインメント.
[4]。ゆえに、LED の発光層に真の直接遷移型半導体を適用
する必要がある。これまでに In 組成が 30%を超える直接遷
2. 分子線エピタキシーによる GaAsN/GaPN 高歪量子井戸
移領域 InGaPN/GaPN 高歪量子井戸を検討し、分子線エピタ
図 2 に GaP 基板上に 460°C で MBE 成長した単一
キシー(MBE)による急峻なヘテロ界面を有する結晶成長[5]、
GaAs0.965N0.035/GaP 高歪量子井戸の界面付近の断面透過型
室温で十分に電子を量子閉じ込め可能な type-I バンドアラ
電子顕微鏡像を示す。ヘテロ界面は非常に急峻であり、V
インメント[6]を実現するという点で発光素子として実用
族元素の違いによる変成層が形成されていないことがわか
化に向かない材料系であることを明らかにしてきた。一方、
る。図 3 に、Si 基板上に MBE 成長した GaAs0.965N0.035/
GaAs(P)N/GaPN 高歪量子井戸は、Si 基板上に無転位で成長
GaP0.98N0.02 高歪量子井戸の XTEM 像を示す。この場合の
でき[7]、かつ発光デバイスに有用な type-I バンドアライン
圧縮歪量はおおよそ 3%である。XTEM 観察における観察
メント(図 1 参照)を実現できる直接遷移型半導体と予想さ
範囲(~10 μm)では貫通転位は観察されず、無転位であった。
れる[8]。くわえて、その発光波長は光通信規格の一つであ
図 4 に Si 基板上における GaAs0.965N0.035/GaP 高歪量子井
る 850 nm 帯域を満たし、高感度化が可能な微細な Si フォ
戸 LED の発光スペクトルを示す。
挿入図は電流-光出力(I-L)
トダイオード(PD)[9]を光検出器に適用可能である。本報告
特性である。この LED ではクラッド層として有機金属気相
成長(MOVPE)による AlGaP を用いた。Si と AlGaP の間に
EL intensity (a.u.)
であることに注意されたい。図 4 に示すように、室温で 860
nm 帯の発光が得られ、850 nm 帯発光デバイスを満たすこ
とを示した。今後、Si に格子整合する(Al)GaPN をクラッド
層とすることにより pseudomorphic な GaAsN/GaPN 高歪量
子井戸発光デバイスの開発が可能と考えられる。
RT
EL intensity (a.u.)
はおよそ 0.5%の格子不整合があるので metamorphic な構造
150 mA
100 mA
0
50 100 150 200
Current (mA)
50 mA
DC operation
10 nm
400
GaP
GaAsN
GaP
g002
500
600
700
10 mA
800
900 1000 1100
Wavelength (nm)
図 4. GaAsN/GaP 高歪量子井戸を発光層とした Si 基板上
850 nm 帯 LED[10].挿入図は電流-光出力(I-L)特性.光ガイド
層として GaP を、クラッド層として AlGaP 層を設けている.
図 2. MBE 成長した急峻なヘテロ界面を有する GaAsN/GaP
高歪量子井戸の断面透過電子顕微鏡像.
謝辞
本研究の一部は文部科学省グローバル COE プログラム「イ
ンテリジェントセンシングのフロンティア」、科研費基盤 B の援助
100 nm
を得て行われた。LED 作製に関して浜松ホトニクス(株) 高木
GaPN
GaAsN
GaPN
GaP
康文博士に感謝致します。ご議論頂いた本学、米津宏雄名誉
教授に感謝致します。MBE-P2 原料(高純度多結晶 InP ウエハ)
の加工・提供に関して日鉱金属(株)に御礼申し上げます。
References
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Sensor. Mater. 17, 299 (2005).
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S.M. Kim, Y. Furukawa, H. Yonezu, K. Umeno, A.
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6.
K. Umeno, S.M. Kim, Y. Furukawa, H. Yonezu, A.
Wakahara, J. Crystal Growth 301-302, 439 (2007).
3. まとめ
7.
Y. Fujimoto, H. Yonezu, A. Utsumi, K. Momose, Y.
Furukawa, Appl. Phys. Lett. 79, 1306 (2001).
8.
B. Kunert, K. Volz, J. Koch, W. Stolz, Appl. Phys. Lett. 88,
182108 (2006).
9.
J. Fujikata, K. Nishi, A. Gomyo, J. Ushida, et al., IEICE
Trans. Electron. E91-C, 131 (2008).
g220
Si (001) 4ﾟ off
成長で形成される欠陥(Anti-Phase Domain：APD)を抑制する
ために、微傾斜 Si(001)基板上に GaP 層をバッファ層として設
Si 基板上に GaAsN/GaPN SQW の MBE 成長を行い急峻な
ヘテロ界面、並びに無転位を実現した。その結果に基づき
作製した GaAsN/GaP LED は、860 nm 帯で発光し、850 nm
帯を利用した光電子融合システムの構築に有望であること
が明らかになった。現在、GaAsN 高歪量子井戸層の更なる
高効率化や多層化、ならびにレーザ発振に向けて完全に格
子整合した発光デバイス構造の検討を行っている。
10. K. Umeno, Y. Furukawa, A. Wakahara, R. Noma, H.
Okada, H. Yonezu, Y. Takagi, H. Kan, J. Crystal Growth
311, 1748 (2009).
Title：Development of 0.85 μm infrared light emitting devices
for silicon based optoelectronic integrated systems
Affiliation：Department of Electric and Electronic Engineering, Toyohashi University of Technology
Name：K. Umeno, Y. Furukawa, A. Wakahara
URL http://www.dev.eee.tut.ac.jp/furukawalab/
Single GaAsN/GaPN highly-strained quantum wells (SQWs) with abrupt
heterointerfaces were grown on GaP (001) and misoriented Si (001) substrates by molecular
beam epitaxy (MBE). It was clarified that the GaAsN/GaPN SQW would have the type-I
band alignment at room temperature. Then, a GaAsN/GaP SQW LED were fabricated on the
Si (001) substrate. The LED emits 860-nm-wavelength range infrared. Therefore, the
GaAsN/GaP(N) SQWs are extremely suitable for realization monolithic optoelectronic
integrated systems operating in the communication window around 850-nm.
Monolithic integration between Si-large scale integrated
circuits (LSIs) and optical devices yields not only novel
high-speed
microprocessors
in
silicon
photonics
and
three-dimensional stacked LSIs but also Si-based massively
parallel processors based on biological visual functions [1]. We
have already fabricated GaPN based light emitting diodes
Band energy (eV)
have fabricated the LEDs with the 850 nm wavelength bands.
1. Introduction
300K
2
CBM
GaAsN
N:3.5%
1
0
VBM
GaPN0.02
(LEDs) on Si using a LSI fabrication process [2], where GaPN
GaPN0.02
alloy is suitable as the LED material since structures
Fig. 1. Band alignments of highly strained GaAsN/GaPN QWs at
lattice-matched to Si can be grown using GaPN alloys [3].
room temperature.
However, the optical characterization of GaPN alloys indicates
quasi-direct transition behaviors in that the host GaP is indirect
2. MBE growth of highly stained GaAsN/GaPN QWs on Si
one [4]. Direct transition semiconductors should be applied for
Figure 2 shows a cross-sectional transmission electron
the active layer. Firstly, we have grown the direct-transition
microscope (XTEM) image of the heterointerface neighborhood
InGaPN/GaPN highly strained quantum wells (QWs) with In
for the highly strained GaAs0.965N0.035/GaP QW sample grown at
composition larger than 30% by molecular beam epitaxy (MBE)
460°C on GaP (001) substrate. The XTEM image indicates that
[5], but it is difficult to obtain abrupt heterointerfaces and type-I
abrupt heterointerface is established and no As/P intermixing
band alignments with large conduction band offsets [6]. On the
layer forms due to deference of group-V elements between the
other hand, direct-transition GaAs(P)N/GaPN QWs can be
QW and the barrier. Figure 3 shows a XTEM image for the
pseudo- morphically grown on Si substrates and are realized the
highly strained GaAs0.965N0.035/GaP0.98N0.02 QW sample grown
type-I band alignments theoretically (see Fig. 1) [7,8]. In
on Si substrate. In this case, the compressive strain is estimated
addition, the light emission wavelength covers the 850 nm bands
to be about 3%. No threading dislocations are observed in the
which are used as a short-distance communication wavelength
XTEM observation range (~10 μm).
band and Si nano-photodiodes with high spectral sensitivity are
Figure 4 shows electroluminescence (EL) spectra of the
possible to use as the photodetectors [9]. In this work, we have
highly strained GaAs0.965N0.035/GaP QW LED sample grown by
grown highly strained GaAsN/GaPN QWs on Si by MBE and
MBE on Si substrate. For the LED, we used Al0.3Ga0.7P cladding
layers grown by metalorganic vapor phase epitaxy (MOVPE).
EL intensity (a.u.)
thus it should note that the AlGaP cladding layers are
metamorphic. As illustrated in Fig. 4, 860-nm-wavelength
emission is measured for the LED sample, which suggests the
850-nm-wavelength bands can be realized using the GaAsN/
GaP(N) QW systems. In order to fabricate dislocation-free
RT
EL intensity (a.u.)
The lattice-mismatch between AlGaP and Si is about 0.5% and
150 mA
100 mA
0
50 100 150 200
Current (mA)
50 mA
GaAsN/GaP(N) QW LEDs or lasers on Si substrates, detailed
DC operation
investigation is required about the most suitable cladding layer
10 mA
completely lattice-matched to Si, such as, for example, AlGaPN
400
500
600
alloys.
700
800
900 1000 1100
Wavelength (nm)
10 nm
Fig. 4. EL characterization of a highly strained GaAsN/GaP QW
LED sample on Si.
GaP
GaAsN
GaP
Acknowledgements
This work was partially supported the MEXT Japan under the
g002
Global COE program “Frontiers of Intelligent Sensing”. The
Fig. 2. XTEM image of highly strained GaAsN/GaP QW with
authors would like to gratefully acknowledge Dr. Y. Takagi
abrupt heterointerfaces grown by MBE.
(Hamamatsu Photonics K.K.) for fabrication of the LED sample,
Prof. Emeritus H. Yonezu for fruitful discussion, and Nippon
100 nm
GaPN
GaAsN
Mining & Metals Co., Ltd. for providing high-purity InP wafers
as the P2 beam source.
GaPN
References
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Y. Furukawa, H. Yonezu, S. Sawa, K. Nishio, J.K. Shin,
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Y. Furukawa, H. Yonezu, Y. Morisaki, S.Y. Moon, S. Ishiji,
A. Wakahara, Jpn. J. Appl. Phys. 45, L920 (2006).
Fig. 3. XTEM image of highly strained GaAsN/GaPN QW
3.
H. Yonezu, Semicond. Sci. Technol. 17, 762 (2002).
pseudomorphically grown on Si. A GaP buffer layer was grown on
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B. Kunert, K. Volz, J. Koch, W. Stolz, Appl. Phys. Lett. 88,
182108 (2006).
9.
J. Fujikata, K. Nishi, A. Gomyo, J. Ushida, et al., IEICE
Trans. Electron. E91-C, 131 (2008).
GaP
g220
Si (001) 4ﾟ off
misoriented Si (001) substrate to annihilate anti-phase domains.
3. Conclusion
We have grown the dislocation-free GaAsN/GaP(N) QWs
with abrupt heterointerdaces by MBE. The GaAsN/GaP QW
LED sampes emitted at 860-nm wavelength bands and thus the
GaAsN based QW systems are extremely suitable to constract
the Si based optoelectronic integrated systems using the 850-nm
wavelength bands. Currently we are demonstrating further
improvement in the luminesence efficiency, mutiple stacking of
the QW, investigation on the lasing possibility and fabrication of
ccompletely lattice-matched LEDs on Si.
10. K. Umeno, Y. Furukawa, A. Wakahara, R. Noma, H.
Okada, H. Yonezu, Y. Takagi, H. Kan, J. Crystal Growth
311, 1748 (2009).

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