[論文レビュー] Temperature stable 1.3 {\mu}m emission from GaAs

Sławomir Prucnal, Kun Gao+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 8, 2012

Semiconductor Quantum Structures and Devices参考文献 27被引用数 9

ひとこと要約

本研究では、ミリ秒級のフラッシュランプアニーリングを用いて、ガリウムヒ素（GaAs）において1.3 μmの準温度安定型光励起発光を実証した。発光の原因は、VAs–Xドナー・アクセプタ対欠陥であると特定された。未ドープおよび窒素ドープ半絶縁的GaAsで、発光強度が最大となり、温度クエンチングが最小（15 Kから300 Kの間で50%の低下にとどまる）という結果が得られた。欠陥工学により、光ファイバー通信用途向けに可変な近赤外発光が実現可能となった。

ABSTRACT

Gallium arsenide has outstanding performance in optical communication devices for light source purposes. Different approaches have been done to realize the luminescence from GaAs matching the transmission window of optical fibers. Here we present the realization of quasi- temperature independent photoluminescence at around 1.3 {\mu}m from millisecond-range thermally treated GaAs. It is shown that the VAs donor and X acceptor pairs are responsible for the 1.3 {\mu}m emission. The influence of the flash-lamp-annealing on the donor-acceptor pair (DAP) formation in the nitrogen and manganese doped and un-doped semi-insulating GaAs wafers were investigated. The concentration of DAP and the 1.3 {\mu}m emission can be easily tuned by controlling doping and annealing conditions.

研究の動機と目的

• 光ファイバー通信用途に適した1.3 μmの温度安定型近赤外（NIR）発光を、ガリウムヒ素（GaAs）で実現するための手法を開発すること。
• フラッシュランプアニーリング（FLA）が、1.3 μm発光を引き起こすドナー・アクセプタ対（DAP）を形成する役割を解明すること。
• ドーピング（N、Mn）およびアニーリング条件が、DAP濃度および発光効率に与える影響を特定すること。
• 陽子消滅および分光法を用いて、1.3 μm発光の欠陥起因を同定すること。
• 半絶縁的GaAsにおける欠陥工学が、合金化やヘテロ構造成長を必要としない近赤外発光のシンプルな代替手段であることを示すこと。

提案手法

• 表面温度が約1200 °Cに達するように、ミリ秒級（3–20 ms）のフラッシュランプアニーリング（FLA）を、半絶縁的（100）GaAsウェーハに施した。
• 特定のエネルギーとフラクションで窒素およびマンガンをイオン注入し、制御された欠陥形成を有するドーピング層を形成した。
• 発光の温度安定性を評価するため、15 Kから300 Kの温度範囲で温度依存性光励起分光（PL）を測定した。
• バックスキャッタ型のμラマン分光法を用いて、フォノンモードを同定し、GaNxAs1−xおよびGa1−xMnxAs合金の形成を確認した。
• ドーナルト幅を用いた陽子消滅分光法を用いて、欠陥濃度を定量し、VAs–X欠陥複合体を同定した。
• PLスペクトルおよびホール測定に基づいてエネルギー準位図を構築し、砒素空位およびX欠陥を含む放射遷移をモデル化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラッシュランプアニーリング後のGaAsにおいて、1.3 μm光励起発光を引き起こす欠陥複合体は何か？
• RQ2 窒素またはマンガンドーピングが、半絶縁的GaAsにおけるドナー・アクセプタ対の形成および光学的活性にどのように影響を与えるか？
• RQ3 ドープおよび未ドープのGaAs試料において、温度上昇に伴い1.3 μm PL発光がどの程度安定しているか？
• RQ4 同じ熱処理を経ても、マンガンドーピングでは1.3 μm PL発光が完全に消滅するのはなぜか？
• RQ5 FLAによる欠陥工学によって、複雑な合金化やヘテロ構造成長を要せず、温度安定型NIR発光を実現できるか？

主な発見

• GaAsにおける1.3 μm発光は主に、バルクバンドから約0.47 eV上にあるX欠陥を有するVAs–Xドナー・アクセプタ対再結合に起因する。
• 未ドープおよび窒素ドープGaAs試料では、温度が15 Kから300 Kに上昇しても、1.3 μm PL強度がわずか50%低下するにとどまり、準温度独立性を示した。
• 1.3 μm PL強度が最大となったのは、20 msのFLA（138.7 Jcm⁻²）を施した未ドープGaAsであり、窒素ドープ試料では3 ms（74.5 Jcm⁻²）でピークを示した。
• マンガンドープ試料では、X中心のホール媒介型クエンチングにより1.3 μm発光が著しく低下し、電荷状態が光学的活性に与える影響を裏付けた。
• 窒素ドーピングはVAs–X複合体濃度を低下させたが、温度クエンチング耐性を向上させ、室温（300 K）でのPL強度が15 K時と比較して42%保持された。
• VAs–X複合体が1.3 μm発光の主な起因であり、1.22 μm帯の二次発光バンドは、直接的な伝導帯からX欠陥への遷移に起因すると特定された。