独自技術で高均一な赤色量子ドットレーザーを実現
－医療・情報技術の高性能化に期待－ 解禁日：平成２３年８月１９日（水）午前０：００ 平成２３年８月１８日 独立行政法人物質・材料研究機構 研究の背景： 量子ドットレーザーは、低消費電力、高速な動作、温度による特性変化の少なさなど、既存 の半導体レーザーを凌駕する特性を実現できると期待されている。しかしこれまで、量子ド ットレーザーの開発は、ストランスキ・クラスタノフ成長３）という手法を利用して光ファイ バー通信に適合した近赤外域（1～1.5 ミクロン程度の波長帯）で発光する「ガリウム砒素基 板上」または「インジウム燐基板上のインジウム砒素（またはインジウムガリウム砒素）」の 量子ドット、を用いたものが殆どであった。 しかしこの方法では、自由空間通信や医療用などの応用が期待される赤色の領域では、量 概要： 独立行政法人物質・材料研究機構（理事長：潮田資勝）先端フォトニクス材料ユニット（ユニ ット長：迫田和彰）の間野 高明主任研究員及び定 昌史研究員は、将来の重要なデバイスとして 注目される量子ドットレーザーの中で、これまで特に製作が困難だった赤色レーザーを、当機構 が開発した独自の手法によって実現した。 研究では、以前、当機構で独自に開発した量子ドットの自己形成手法（液滴エピタキシー法１）） に新たな改良を加えた。その結果、赤色の波長帯で発光するガリウム砒素量子ドット２）を用いた 量子ドットレーザーから、レーザー発振を実現することに成功した。 実現できた理由は、量子ドットの均一性を劇的に向上させる手法を開発できたこと、さらに、 その量子ドットを積層することにより、レーザー発振に関与する量子ドットの数を大幅に増加さ せることに成功したことにある。これにより、電流注入によるレーザー発振を達成した。 この成果により、高性能な量子ドットレーザーが赤色領域にも適用可能となり、情報・医療デ バイスなどの高性能化に大きく貢献することが期待される。 本技術の詳細は、英国物理系学術雑誌Nanotechnology オンライン版に掲載され、冊子版では 8 月 19 日号（Number 33）に掲載される予定である。 同時発表： 筑波研究学園都市記者会（資料配布） 文部科学記者会（資料配布） 科学記者会（資料配布）作製する試みはあまり報告されていなかった。 赤色領域で発光するものにガリウム砒素量子ドットがある。しかしガリウム砒素量子ドッ トは自己形成するのが困難である事が知られていた。我々のグループでは、独自の手法で「液 滴エピタキシー法」という量子ドット作製法を開発し、これまで研究を進めてきた。この方 法を使うと、従来困難だったガリウム砒素でも高品質な量子ドットを自己形成させることが 可能となった。しかし、量子ドットの均一性に関しては十分なものが得られておらず、電流 を注入してレーザー発振を達成させることはできなかった。 今回の研究成果： 量子ドットでレーザー発振を実現するには、発光エネルギーができるだけ揃った量子ドッ トを高密度に作製することで、レーザー発振に寄与する量子ドットの数を増やす事が必要で ある。今回我々は、独自の量子ドット自己形成法において、新たに均一性を劇的に向上させ る量子ドット成長技術の開発に成功した。さらにその量子ドットを多積層化する事で、電流 注入によるレーザー発振を達成した。 今回開発した技術は以下の通りである。 １．不均一性の原因だった、ガリウム液滴が高速で結晶化する過程を見直し、遅い速度で 結晶化する手法を開発した。これにより、図１に示す様な均一な量子ドットの自己形成が 可能となった。 ２．量子ドットの厚みのバラツキを抑制するため、量子ドット下部に二次元層を導入し、 さらに、結晶化した量子ドットに対して、薄膜埋め込みと熱処理を施すことによって、量 子ドットの厚みも均一化できた。 ３．一層あたり 41010個／cm2の高均一量子ドット（図１）を５層積層することで、高密 度化を実現した。 以上の技術を組み合わせることにより、低温における発光の広がり（量子ドットのサイズ の均一性を直接反映する４））で、従来の154 meV（ミリ電子ボルト）から 20 meV へ大幅な 狭線幅化を実現した(図２)。また、これらの高均一量子ドットを厚み方向に 5 層積層する事 にも成功した。これにより、レーザー発振に寄与する量子ドット数を大幅に増加させ、電流 注入によるレーザー発振を実現した（図３、図4）。発振波長は約 760nm である。 社会への波及効果と今後の展開： 今回開発した、赤色の波長帯のレーザー光は、安価なシリコン系素子により高感度な光検出 が可能であり、また、空気中の光透過率も高いことから、オンチップ光配線や、自由空間通 信などの情報デバイス用高性能光源としての応用が期待される。また、赤色の高性能光源は、 血液中の酸素濃度モニターなどの医療用デバイスの高性能化などにも貢献できる可能性があ る。
以上の様に、今回の成果により、これまで良質で均一性の高い量子ドットの自己形成が困 難であった赤色の波長域においても、量子ドットレーザーを実現する事が可能となり、高品 質な量子ドットレーザーを適用できる応用範囲が今後さらに広がることが期待される。 用語解説 液滴エピタキシー法： 物質・材料研究機構が 1990 年に開発した、日本発の半導体量子ドットの作製手法。他の 量子ドットの自己形成手法と異なり、ヘテロ界面で結晶格子の大きさが一致した量子ドット を作製することができる。最近の我々の成果により、その有用性が明らかにされ、世界各国 で活発な研究が進められるようになってきている。 量子ドット： 直径が数 10 ナノメートルの半導体の微粒子。異種の半導体に埋め込むことにより、電子 をナノ空間に閉じ込めることができる。 ストランスキ・クラスタノフ成長： 基板材料と格子定数の異なる材料を結晶成長すると、初めに二次元的な膜成長を生じた後 に歪みが蓄積することにより、３次元的な島状成長を引き起こす成長様式。これを用いるこ とにより、量子ドットを形成できる事は 1986 年にフランスのグループにより最初に報告さ れた。 量子ドットのサイズ揺らぎ： 量子ドットのサイズが変化すると、量子閉じ込めのエネルギーが変化するため、発光エネ ルギーが異なってしまう。 （問い合わせ先） 独立行政法人 物質・材料研究機構 企画部門 広報室 TEL 029-859-2026、FAX 029-859-2017 （研究内容に関すること） 独立行政法人 物質・材料研究機構 先端フォトニクス材料ユニット 主任研究員 間野 高明 TEL 029-859-2790 E-mail [email protected] 独立行政法人 物質・材料研究機構 先端フォトニクス材料ユニット NIMS ポスドク研究員 定 昌史（じょう まさふみ） TEL 029-859-2702
図１：高均一量子ドットの顕微鏡像 高均一なGaAs 量子ドットが基板表面全体に高密度に自己形成している。 図２：量子ドットの発光特性 結晶化過程の見直し、さらに、それに加えて能動的 な厚み制御を加えることにより、従来のものと比較 して、均一性が、劇的に改善した。
図3：量子ドットレーザー構造の模式図
