@phdthesis{oai:sucra.repo.nii.ac.jp:00010362,
 author = {金, 日国},
 month = {},
 note = {94p, 量子暗号通信や量子計算などの量子情報技術への応用に向けて、単一光子あるいは量子もつれ光子対の生成について研究開発が盛んに進められている。単一光子の生成に関しては、ダイヤモンド中の窒素‐空孔によって形成される発光中心の利用、半導体量子ドットの利用、窒素ドープGaP、窒素ドープGaAsなどについて研究が行われている。ところが、半導体量子ドットを利用する場合を除くといずれも波長の点から長距離光ファイバー通信には向いていない。これに対して、希土類元素の一つであるErを利用することによって長距離光ファイバー通信への応用が可能となると考えられる。そこで、本研究では単一光子発生源への応用を目的として、Erを用いた原子層ドーピング構造半導体の作製および評価を行った。
ErドープGaAsの成長については、これまで、成長中に起こる表面偏析の影響でGaAs中へのErの取り込み率が低いことが指摘されている。また、成長中のAs/Ga供給比(Ⅴ/Ⅲ比)を上げることによって、GaAs中のIn原子の表面偏析が抑えられることが報告されている。そこで、まず分子線エピタキシャル(MBE)成長において通常用いられるⅤ/Ⅲ比を8から20まで上げて、ErGaAs混晶を作製し、評価を行った。成長温度570℃でErセル温度を1040、1100、1150、1200℃と変化させて、4つの試料を作製した。X線回折(XRD)2θ-ω(004)スキャンの結果からErGaAs(004)のXRDピークがEr濃度の増加と共にGaAs(004)ピークから次第に低角側にシフトしていくことがわかった。Erセル温度1150℃で作製した試料について二次イオン質量分析を行った結果、Er原子がErGaAsエピタキシャル層中に一様に分布しており、表面偏析は見られなかった。また、ErGaAsエピタキシャル層中のEr濃度は5.8×1020 cm-3 (x=2.7%)であることがわかった。さらに、XRD(115)逆格子マッピング測定結果からErGaAsエピタキシャル層がGaAs(001)基板に対してコヒーレント成長していることがわかった。Erセル温度1200℃で作製した場合、これまでに報告された中で最も高いEr濃度8.1×1020 cm-3 (x=3.7%)のErGaAs混晶を成長できた。XRD(115)逆格子マッピング結果からErGaAsエピタキシャル層の格子定数は0.5660 nmと求められ、この結果を外挿してErAsの格子定数を求めると0.5922 nmとなり、NaCl構造のErAsの格子定数0.5743 nmよりも大きいことがわかった。ErGaAsエピタキシャル層の結晶構造を判別するために、XRD2θ-ω(111)と(222)スキャンを行い、低濃度ErGaAsの結晶構造は閃亜鉛鉱構造であることを明らかにした。
次に、Er一様ドープGaAsを作製し、Er発光のErセル温度依存性と成長温度依存性を評価した。Erセル温度依存性を調べるために、Erセル温度を800℃から1100℃まで変化させて試料を作製した。Erセル温度を800℃から850℃まで上げていくとErからの発光が強くなったが、さらに温度を上げていくとErからの発光が弱くなることがわかった。Erセル温度を上げていくとGaAs中のEr濃度が増加するために発光が強くなっていくが、Er濃度が高すぎるとGaAsの結晶性が低下して発光が弱くなったためであると考えられる。さらに、Erによる発光スペクトルを室温においても観測することができた。
以上の結果をふまえて、成長温度580℃でEr原子層ドープGaAsを作製した。マクロPL測定ではErからの発光を確認できたが、顕微PL測定ではバックグラウンド発光しか見られなかった。Erによる発光がバックグラウンド発光に埋もれてしまっている可能性があるため、バックグラウンド発光の原因について調べた結果、GaAs基板中の欠陥による発光であることがわかった。そこで、GaAs基板とErドープ層の間にAlGaAs障壁層を挟むことによってバックグラウンド発光を抑えることができた。さらに、SIMS測定結果からEr原子の吸着率はドーピング温度上昇と共に減少し、Er原子が400℃以上の成長温度でGaAsキャップ層を成長すると、表面まで著しく偏析することがわかった。その偏析長は500℃で0.5 μmであり、GaAsへの取り込み率は10-3未満である。さらに、GaAs最適成長温度の580℃では、Er原子の取り込み率は10-4になった。Er原子の表面偏析を抑えるには、GaAsキャップ層の成長温度を300℃まで下げなければならないことが明らかになった。
以上のように、本論文によってEr原子層ドープGaAsの作製に関して、長距離光ファイバー通信に対応した単一光子源への応用に向けた十分な検討を行うことができた。, 目次 ............................................................................................................................... 1
要旨 ............................................................................................................................... 4
第1章 研究背景と目的 ........................................................................................... 6
1.1 はじめに........................................................................................................... 6
1.2 希土類元素 ....................................................................................................... 7
1.2.1 希土類元素 ................................................................................................ 7
1.2.2 希土類イオンのエネルギー準位構造 .................................................. 10
1.3 Er元素 ............................................................................................................ 13
1.3.1 Er元素 ..................................................................................................... 13
1.3.2 Erドープ半導体の発光波長 ................................................................. 14
1.3.3 Erドープ半導体の発光メカニズム ..................................................... 16
1.3.4 Erドープ半導体の発光特性 ................................................................. 17
1.4 Erドープ半導体研究動向 ............................................................................ 19
1.5 本研究の目的 ................................................................................................. 21
第2章 分子線エピタキシャル法と評価法 ......................................................... 25
2.1 はじめに ......................................................................................................... 25
2.2 分子線エピタキシャル法(Molecular Beam Epitaxy；MBE) ..................... 26
2.2.1 分子線エピタキシャル(MBE)法 ........................................................... 26
2.2.2 MBE成長メカニズム ............................................................................ 31
2.3 X線回折法 (X-Ray Diffraction；XRD) .................................................... 33
2.4 二次イオン質量分析法 (Secondary Ion Mass Spectrometry；SIMS) ...... 38
2.5 フォトルミネセンス法 (Photoluminescence；PL) .................................. 40
第3章 ErGaAs混晶の作製と評価 ...................................................................... 45
3.1 はじめに ......................................................................................................... 45
3.2 基板洗浄工程 ................................................................................................. 46
3.2.1 有機洗浄 .................................................................................................. 46
3.2.2 エッチング .............................................................................................. 46
3.3 ErGaAs混晶の作製 ....................................................................................... 47
3.4 ErGaAs混晶の評価 ....................................................................................... 48
3.4.1 XRD測定の2θ-ω (004)スキャン .......................................................... 48
3.4.2 二次イオン質量分析測定 (SIMS) ........................................................ 51
3.4.3 XRD測定の(115)逆格子マッピング .................................................... 53
3.4.4 XRD測定の2θ-ω(111)と (222)スキャン ............................................ 56
3.5 まとめ............................................................................................................. 59
第4章 Er一様ドープGaAsの作製と評価 ........................................................ 60
4.1 はじめに ......................................................................................................... 60
4.2 Er一様ドープGaAsの作製 ......................................................................... 61
4.3 Er一様ドープGaAsの評価 ......................................................................... 62
4.3.1 PLスペクトルのErセル温度依存性 ................................................... 62
4.3.2 PLスペクトルの測定温度依存性 ........................................................ 64
4.4 まとめ ............................................................................................................. 65
第5章 Er原子層ドープGaAsの作製と評価 .................................................... 66
5.1 はじめに ......................................................................................................... 66
5.2 Er原子層ドープGaAsの試作 ..................................................................... 67
5.2.1 Er原子層ドープGaAsの試作 .............................................................. 67
5.2.2 試作したEr原子層ドープGaAsの評価 ............................................. 68
5.3 AlGaAs障壁層導入の検討 ........................................................................ 71
5.3.1 AlGaAs障壁層を導入した試料の作製 ................................................ 71
5.3.2 AlGaAs障壁層有無の検討 .................................................................... 73
5.4 Er原子の吸着率と表面偏析の検討 ............................................................ 74
5.4.1 試料の作製 .............................................................................................. 74
5.4.2 試料の評価と検討 .................................................................................. 76
5.4.2.1 Er原子吸着率の温度依存性 .......................................................... 76
5.4.2.2 Er原子表面偏析の成長温度依存性 .............................................. 77
5.5 まとめ............................................................................................................. 86
第6章 結論 ............................................................................................................. 87
参考文献 ..................................................................................................................... 88
業績目録 ..................................................................................................................... 93
謝辞 ............................................................................................................................. 94, 指導教員 : 矢口裕之教授, text, application/pdf},
 school = {埼玉大学},
 title = {分子線エピタキシャル法によるEr原子層ドープGaAsの作製および評価},
 year = {2015},
 yomi = {キン, ニチコク}
}