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高効率・波長制御性最適化が可能な

量子ドット光半導体

独立行政法人 情報通信研究機構（ＮＩＣＴ）

光ネットワーク研究所 光通信基盤研究室

研究マネージャ 山本直克

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1982年 東京大学 荒川・榊両教授らによって 半導体量子ドットレーザ提案

・ ・ ・ ・

2009年 国内企業が10Gbps量子ドットレーザを実用量産化 （世界初）

どうやって量子ドットを量産ベースで作製？ （製造プロセスの課題）

NICT光ネットワーク研究所 光通信基盤研究室 2002年より研究開始

高品位量子ドット作製技術を研究、確立

社会展開へ

実用化までの道のりは非常に長かった

何が課題だったのか？

量子ドット光半導体研究の背景

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半導体量子ドットとは 数nmの半導体結晶の極微小粒

Cross-section of TEM image

InAs/GaAs Quantum dot

+ -

量子ドット

基板

～数nm

束縛された電子

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従来型レーザとの比較

- +

- +

+

-

- + 光

- 光

- - -

- -

- - -

- -

- - -

+ 光

+

+

+ 光

+

+ 光

+ 光

+ 光

+

- +

+

+ -

従来型レーザー （待合せ場所が無いとすれ違い）

量子ドットレーザー （電子とホールはドットで待合せ）

量子ドット

束縛電子

正孔

１つの量子ドットから１つの光子が放出 量子ドット数を多く（高密度化）すれば高発光効率化

従来型レーザーより高効率

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従来型レーザとの比較 比較項目 従来型量子井戸レーザー 量子ドットレーザー

コスト 材料選択自由度

×

材料に波長特性が依存。1.3μm帯には高価なInGaAsP/InPが必要。

◎

安価なGaAs基板の利用が可能。

温度特性 閾値電流温度依存性 発光効率温度依存性

× ×

閾値電流、発光効率共に大きく温度依存。高温動作は+85℃程度が限界。

◎ ◎

各量子ドットに電子が閉じ込められ熱雑音の影響を受けにくく、閾値・発光効率共に安定。+180℃以上でも動作可能。

高発光効率 ×

◎ 量子ドットの数（密度）に応じて発光効率が向上。従来に無い高出力半導体

レーザも実現可能

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従来の量子ドット作製技術とその問題点

1. 結晶組成比最適化が困難

狙い通りの発振波長を得にくい

2. 各量子ドット同士の干渉・合体

発光効率の低下

発光しない

歩留まりが課題

広く普及するに至っていない。

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新技術の特徴・従来技術との比較

従来技術の問題点であった、

1. 結晶組成比最適化

超格子構造によって組成比最適化を容易に実現

発振波長を超格子膜厚で制御調整可能

2. 量子ドット同士の干渉・合体

層間分離構造（SNSS）によって回避

発光効率を2倍以上を実現

発光歩留りの大幅向上が期待される

いずれの技術もシンプルで容易に導入可能

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新技術の特徴・従来技術との比較（１） 超格子による結晶組成比最適化

Ga,Al組成比は発光波長に影響

格子定数制御で組成比最適化は達成できない

（波長制御不能）

従来構造

第一結晶層、第二結晶層を配置し、基板と格子整合がとられた超格子を構成

第一結晶層、第二結晶層の結晶周期或いは膜厚調整で発振波長制御可能に

発振波長狙い値：

1600nm

新技術構造

Sample 1 Sample 2 Sample 3 Sample 4 従来構造

InGaAs/InAlAs 2ML/2ML 4ML/4ML 8ML/8ML 16ML/16ML In0.52Ga0.24Al0.24As

ピーク波長 1630nm 1617nm 1600nm 1599nm 1687nm

従来構造

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新技術の特徴・従来技術との比較（２） 層間分離構造による量子ドットの干渉・合体回避

8.2 x 1010 /cm2

Giant dot

GaAs GaAs

InAs

QD

SSNS

(GaAs 3ML=8.5Å)

InGaAs QW2

(In0.15Ga0.85As 6nm)

InGaAs QW1

(In0.15Ga0.85As 3nm)

5.8 x 1010 /cm2

従来構造 新技術構造

層間分離構造により 量子ドット結晶欠陥低減

量子ドット高密度化

2倍の発光効率

1000 1100 1200 1300 1400

2.76 ML InAs/InGaAs QD structure

on GaAs (001)

W/O SSNS

With sandwiching

sub-nanostructure (SSNS)

PL

inte

nsity (

arb

. u

nits)

Wavelength (nm)

10

1277.2 1277.6 1278.0 1278.4 1278.8-50

-40

-30

-20

-10234.59234.67234.74234.82

Optical frequency (THz)

Igain=50.0mA

Em

issio

n in

ten

sity (

dB

m)

Wavelength(nm)

234.89離散的な光ゲイン分布

量子ドット構造

個々のドットが電気的に独立（離散的光ゲイン） １つの量子ドットデバイスから 二波長・多波長の光を同時に発生

新技術の応用による特徴的新機能

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想定される用途

温度特性安定性

– 光インターコネクト、光アクセス系等 （帰還回路不要でシステムコスト、省電力に寄与）

高温動作

– 車載機器等

高出力

– 加工用レーザ等

多波長光同時発生

– DWDM、光コム、測定器、バイオイメージング等

広帯域波長特性

– Tバンド光通信、医療、バイオイメージング等

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生体透過観察への応用例

*NIR transparent image of Forefinger

Wavelength tunable Quantum dot light source

Optical power: 540-μW

Wavelength: 1320-nm

Diameter of input light: 1.0-mm

血管

PC

NIR camera

量子ドット光源

指

波長1.3μm帯量子ドット光源を用い、指を透過する光透過イメージングに成功。 生体の窓の波長領域を用いることにより、低出力（500μW）での光透過像取得が実現。

指内部で散乱・透過した近赤外光が明るく写る

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植物透過観察への応用例

http://micro.magnet.fsu.edu/cells/leaftissue/leaftissue.html

木部 師部

緑葉領域 枯葉領域

Optical power: 54~60-μW (-12dBm)

Diameter of input light: 1.0-mm

Wavelength: 1320-nm

葉の断面構造 近赤外透過光による葉の葉脈観測例

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実用化に向けた課題

NICTでは基礎技術を中心に研究しているため、

• 各応用分野の要件に応じた最適化

• 長期信頼性、耐環境性等の把握等

最終確認を得ることが出来ません。

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企業への期待

技術移転を通して、各応用分野に応じた製品としての最適化を、企業関係者に期待します。

（閾値電流、順方向電圧、周波数特性等の最適化）

（長期信頼性、耐環境性等の確認）

結晶成長技術、モジュール化技術、装置化技術等を持つ企業とは、適切なテーマを設定した共同研究を希望します。

NICTでは研究試作された量子ドット光半導体の有償提供を開始しました。その特性・信頼性評価、組込試作等にご活用ください。

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機能・性能・特性等をご確認頂き、企業の製品開発等の一助なることを目指すとともに、技術移転を推進してまいります。

詳細はこちらをご覧ください。 http://www.nict.go.jp/out-promotion/data-provided/mta.html

お申込み・お問い合わせ先 独立行政法人 情報通信研究機構

社会還元促進部門 知的財産推進室

TEL.042-327-6950

FAX.042-327-6659

E-mail: ippo@ml.nict.go.jp

研究成果物有償提供についてのお知らせ

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本技術に関する知的財産権

•発明の名称 ：半導体量子ドット及びその製造方法

•出願番号 ：特願2014-096322

•出願人 ：情報通信研究機構（ＮＩＣＴ）

•発明者 ：赤羽 浩一、山本 直克、川西 哲也

•発明の名称 ：ナノ構造体及びその製造方法

•出願番号 ：特願2008-278279

•出願人 ：情報通信研究機構（ＮＩＣＴ）

•発明者 ：山本 直克、赤羽 浩一

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量子ドット半導体の構造・製法に係る特許特許 発明の名称 発明者 発明の概要 権利範囲

特許3903182低格子不整合系における量子ドットの形成方法および量子ドット半導体素子

山本 直克、赤羽 浩一、牛頭 信一郎、大谷 直毅

●低格子不整合率の格子定数であるⅢ－Ⅴ族化合物半導体上に、Ⅲ－Ⅴ族量子ドットを形成する方法を提供 ●量子ドット形成方法

●量子ドット半導体素子

特許4041887 アンチモン系量子ドットの形成方法山本 直克、赤羽 浩一、

大谷 直毅

●化合物半導体上に、アンチモン系量子ドットを高面密度に形成可能●従来技術で形成されるアンチモン系量子ドットの大きさに比して十分に小さく形成可能

●量子ドット形成方法

特許5397929半導体光デバイス及び光通信用半導体デバイス、並びにその製造方法

山本 直克、赤羽 浩一、外林 秀之、土屋 昌弘

●InAsの量子ドット構造を有する半導体微細構造の周囲がアンチモン原子・分子によってコーティング●量子ドット構造を量子井戸構造で挟む構造

●製造方法●半導体光デバイス●構造●機能

特願2008-278279 ナノ構造体及びその製造方法 山本 直克、赤羽 浩一●SSNS　・原子間干渉抑制　・表面改質

●構造●製造方法

特許5504468 半導体量子ドット及び同形成方法 赤羽 浩一、山本 直克

●結晶品質を低下させることなく、短時間プロセスでナノ構造体形状を高品質に保つ形成方法

●量子ドット形成方法

特願2014-096322

（未公開） 半導体量子ドット及びその製造方法赤羽 浩一、山本 直克、川西 哲也

●量子ドットを生成する結晶と基板を格子整合させた超格子とする構造、組成、製造方法

●構成・構造●製造方法

量子ドット半導体の利用性向上の特許特許 発明の名称 発明者 発明の概要 権利範囲

特許5505827 光導波路型半導体山本 直克、赤羽 浩一、藤岡 裕己

●量子井戸または量子ドットを用いた光導波路型半導体光源の構造を簡単化し、デバイス表面の微細構造による光波制御を可能とする。

●構造●レーザ生成方法

量子ドット半導体を利用した応用特許特許 発明の名称 発明者 発明の概要 権利範囲

特許5550040 光制御遅延器及び分光装置関根 徳彦、山本 直克、寳迫 巌

●外乱の影響を受けにくい、小型・高精度・簡便に遅延量制御可能な光制御遅延器と分光装置

●光制御遅延器の構成と仕組み●光遅延器を含む分光装置

特開2012-191075 多光周波数発生光源

山本 直克、諸橋 功、赤羽 浩一、関根 徳彦、浜崎 淳一、川西 哲也、寳迫 巌

●構造の簡素化が図られた多光周波数発生光源。

多光周波数光源の●構成●要件となる量子ドット組成・構造

特開2013-205113 多波長測定装置山本 直克、赤羽 浩一、川西 哲也、寳迫 巌

●多波長での効率的な光学測定を可能とする多波長光学測定装置多波長測定装置の●装置構成●要件となる量子ドット構造

簡便な手段による高発光効率化

組成比による発光波長の制御

結晶欠陥抑制による高発光効率化

プロセス短時間化による製造コスト削減

波長制御性、多種波長等の提供

高密度化による高発光効率化

光通信用として有効な波長の発光

参考：関連特許群

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お問い合わせ先

独立行政法人 情報通信研究機構

社会還元促進部門 知的財産推進室

TEL.042-327-6950

FAX.042-327-6659

E-mail: ippo@ml.nict.go.jp