【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】22360133 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子閉じ込め / 量子ドット / 励起子 / 単一光子 / 等電子準位 / 不純物 / MOCVD

【研究成果の概要】

発光波長や強度などの特性が揃った単一光子源への応用を目指し、III-V族半導体中の等電子不純物による局在準位の制御と利用に関する研究を行った。具体的には、ガリウム砒素中の窒素不純物の最適なドーピング手法を調べ、エネルギーの揃った単一光子発生を世界で初めて実証するとともに、発光寿命や偏光などの特性について明らかにした。本研究によって多くの基礎データが取得でき、今後の技術開発に不可欠な有益な知見が得られた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2010 - 2012

【配分額】15,210千円 (直接経費: 11,700千円、間接経費: 3,510千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】19360013 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 励起子 / 単一光子 / 励起子微細構造 / 光通信波長帯 / MOCVD / 位相緩和 / 発光寿命 / 光通信波長帶

【研究成果の概要】

量子暗号など将来の量子情報通信の要素として重要な波長1.3~1.55μmの光通信波長帯でのもつれ合い光子対発生技術への展開を目指し、ダブルキャップ法によるInAs/InP系量子ドットの形成技術を開発するとともに、ドットの構造評価、および励起子微細構造、多励起子状態、励起子再結合寿命、位相緩和時間に関する観測と評価を行った。本研究によって多くの基礎データが取得でき、今後の技術開発に重要となる新たな知見が得られた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2007 - 2008

【配分額】18,850千円 (直接経費: 14,500千円、間接経費: 4,350千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】13355015 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

微小共振器 / 量子ドット / 強化ガリウム / 面発光LED / 面発光レーザ / MOCVD / 結晶成長 / デバイスプロセス / 窒化ガリウム / GaN / InGaN / 半導体レーザ / 量子井戸 / 化合物半導体

【研究成果の概要】

電流注入型窒化物半導体青色面発光レーザの実現に向けた基盤技術の確立をはかった。本年度の主な成果は下記の通りである。
1.高反射率n型AlGaN/GaN分布ブラッグ反射鏡(DBR)の作製
GaN層結晶成長時のキャリアガス流量を最適化し、面内均一性の改善に成功した。また、成長温度の誤差変動を1℃単位で補正し、DBRの膜厚揺らぎを抑制した。これらの結果、ノンドープDBR(33周期)上にn型DBR(9周期)を積層したAlGaN/GaN DBRにおいて99%以上の反射率を得ることができた。すでに同等の反射率のDBRを用いた窒化物面発光レーザにおいて室温光励起発振が実現しており、電流注入型青色面発光レーザの実現が大いに期待される。
2.InGaN活性層の発光効率改善
室温フォトルミネッセンス(PL)発光強度の障壁層Siドーピング量依存性を調べて、成長条件の最適化を進めた。Siドーピング量を高めるにつれてPL発光強度が増大し、ノンドープのものより4桁以上高い強度に達した。Siドープによって生じたキャリアがInGaN井戸層内の内部電界の遮蔽をもたらし、電子と正孔の波動関数の重なりが増したものと考えられる。一方、Siドーピング量をある値以上に増やしてもPL発光強度のさらなる増大は観測されなかったが、これは内部電界の遮蔽が飽和に至ったものと考えることで定性的には説明できる。
3.窒化物半導体面発光デバイスプロセスの開発
基板密着性に優れ、逆メサ形状を有する2層レジスト工程を開発した。ベークしたAZ1500上にAZ5206Eを塗布し画像反転プロセスを行うと、レジスト流れも無く、かつ逆メサ形状を有するパターンの形成が可能である。レジストの濡れ性がよくない窒化物半導体上の微細メタルリフトオフプロセスへの応用が可能であり、窒化物面発光レーザの高密度アレイが高い歩留まりで信頼性よく作製できる。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2001 - 2003

【配分額】49,660千円 (直接経費: 38,200千円、間接経費: 11,460千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】10305028 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 量子カスケードレーザ / 半導体レーザ / MOCVD / MBE / ナノ構造 / 量子井戸 / ヘテロ構造

【研究成果の概要】

本研究は,将来の集積電子素子と光素子の融合を目指して、ユニポーラーキャリア動作に基づいた量子カスケード構成による1.5μm波長帯の半導体レーザを実現するための、半導体ヘテロ構造について、結晶成長技術および物理的基礎を中心に研究を行うことを目的としている。
伝導帯において大きなバンド不連続性を実現することが可能なGaN/AlGaN系におけるサブバンド間遷移について研究に取り組んだ。まず、AlGaN/GaN単一ヘテロ構造をサファイア基板上に常圧MOCVD法により結晶成長を行った。電子移動度は室温で理論的限界といわれる2000cm2/V.secをほぼ達成した。これは、界面が良質であることを示すものである。
この単一ヘテロ接合構造において、FTIRにより吸収測定を行ったところ、約270meVのところに吸収ピークが得られた。これは第1サブバンドと第2サブバンドのエネルギー差に対応しており、この値は、AlGaAs/GaAs単一ヘテロ接合においては約30meVであるのと比較すると、約一桁大きいものである。これはピエゾ分極の効果によるものである。
さらに、AlGaN/GaN量子井戸において、井戸幅、量子井戸数を変えながら、サブバンド間吸収を測定した。量子井戸の数依存性においては、量子井戸の数が増大すると、歪の緩和が起こる様子が、吸収ピークのエネルギーシフトから明らかになった。また、井戸幅を狭くすることにより、吸収ピークが短波長にシフトすることを見出した。現時点で、最短の波長は1.7μmであり、光通信に適した波長にかなり近づけることが出来た。
これらの結果は、光通信波長帯における量子カスケードレーザやスイッチの実現のの基盤技術の確立の向けてきわめて重要な結果である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】39,000千円 (直接経費: 39,000千円)

【研究分野】応用光学・量子光工学

【研究領域課題番号】10355004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / MOCVD / MBE / 半導体レーザ / 自己組織化 / GaN / 量子効果 / InAs / 半導体 / ナノ構造

【研究成果の概要】

本研究は、研究代表者が長年取り組んできた量子ドットレーザについて、実用化を目指してその素子技術の確立を図ることを目的として遂行されている。
まず、InGaAs自己形成量子ドットについて、実用化に重要な光通信用波長帯である13.-1.5μm帯発光をめざして結晶成長の最適化を行った。その結果、世界で最も長い1.5mmの発光波長を実現することに成功した。これはGaAs上に成長したInAs量子ドットをGaAsではなくInGaAsで埋め込み歪効果を抑制したためである。さらに、量子ドットとフォトニック結晶を組み合わせた量子ドットレーザ構造を作製することができた。これは、選択成長により量子ドットを形成する領域を制限したためである。
一方、理論的にワイドギャップ半導体レーザにおいては、量子ドットレーザを導入することによる特性改善の効果が、大きくなることを示すことができた。 GaN系量子ドットレーザにおいては、GaAs系量子ドットレーザと比べると、約一桁異大きい改善率が得られることが明かとなった。さらに、新しい非反転分布型レーザの概念を明らかにした。
さらに、 GaN上にInGaN量子ドット形成のための結晶成長技術の確立をはかり、これにもとづき青色量子ドットレーザを作製した。その結果、光励起ではあるが室温でレーザ発振に青色量子ドットレーザとしては世界で初めて成功した。また、紫外発光レーザをめざして、 AlN上のGaN量子ドットの形成をSiC上に減圧成長で達成することに成功した。フォトルミネッセンス測定により発光を確認した。
以上、本研究の遂行により、量子ドットレーザの試作を行うとともに、それにかかわる材料技術基盤の確立をはかることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1998 - 2000

【配分額】33,700千円 (直接経費: 33,700千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】08555081 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 微小共振器 / 量子井戸 / テラヘルツ電磁波 / 量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / レーザ / 化合物半導体 / 光デバイス

【研究成果の概要】

情報通信技術の発達はさまざまな電磁波領域の開拓を必要としてきている。これは単に情報量の増大のみならず、さまざまな情報のやりとりを実現するために要請されてきている。
本試験研究では、21世紀のテラビット級情報ネットワーク構築をめざした基礎技術として、コヒーレント・テラヘルツ電磁波発生のための半導体集積デバイスの開発研究を行い、テラヘルツもしくはフェムト秒テクノロジーという研究分野の実用化に寄与することをはかった。まず、絶縁性GaAs基板上にGaAsを低温成長しその表面および基板裏面に光導伝ダイポールアンテナを集積化し、フェムト秒レーザパルスを用いたポンププローブ法により、テラヘルツの発生と検出を行った。その結果感度を2.5倍向上させることができた。この結果は本素子の有効性を示すものである。さらに新しい原理のデバイスとして、半導体微小共振器と多重量子井戸を面型に組み合わせたしたコヒーレント・テラヘルツ電磁波発生用半導体集積デバイスを提案し素子設計を行った。また、これにもとづきMOCVD結晶成長により素子の試作を行った。その基礎実験を行った。本素子は、半導体量子井戸を有する微小共振器においてわれわれが1992年に世界に先駆けて見い出した励起子ポラリトン効果(量子井戸中の励起子と微小共振器中の光子のコヒーレント相互作用による真空ラビ振動)を利用したものである。フェムト秒分光システムによりポンプ・プローブ法により反射スペクトルを観測することにより、光を搬送波とする2テラヘルツ程度のテラヘルツ振動を観測することに成功した。
本研究により、集積テラヘルツ電磁波発生システムの基礎付けが行われ、マイクロ波フォトニクスにおける新たな展開をもたらす可能性を示唆することができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】17,400千円 (直接経費: 17,400千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】07405018 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 微小共振器 / フォトニック結晶 / STM / レーザ / ピコ光パルス / 半導体 / 量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / 化合物半導体 / 光デバイス

【研究成果の概要】

1982年に量子ドットレーザが提案されて以来、半導体ナノ構造構造の研究は急速に発展し、固体物理およびエレクトロニクスの研究分野に大きなインパクトをもたらしてきた。しかし、これまでの多大な努力にもかかわらず、形成技術や量子ドットの物性の解明が十分ではないため、現時点においては量子ドットレーザが当初予想されたような性能を実現するには至っていなかった。
本研究では、量子ドットの形成および物性物理の解明を踏まえて、量子ドットレーザの実現の基礎固めをはかることをめざしている。まず、量子ドットの新しい作製法として、選択成長を用い2次元V溝構造を形成しその中に量子ドットを成長させる手法を開発するとともに、自己形成量子ドットの作製技術の確立を行った。特に、前者においては垂直量子細線も形成可能であることを示すとともに積層構造も作製した。また、量子ドットの局所的評価手法として、近接場光学顕微鏡による量子ドットからの発光の観測を行い、強磁場における量子ドット中の電子のスピン分裂の観測に世界で初めて成功した。また、低温STMを用いたトンネル発光の実験を量子ドットについて初めて行い、単一量子ドットからの発光を確認するとともに分光に成功した。これらの結果はナノテクノロジー技術の開拓に重要なインパクトを与えるものである。さらに、量子ドット中のキャリアダイナミックスを時間分解測定により明らかにするとともに、微小共振器型量子ドットレーザの発振に成功し、ピコ秒光パルスの生成を行った。また電子とフォノンとの相互作用について理論研究を行い、いわゆるフォノンボトルネックは殆ど問題にならないことを初めて示した。2次元フォトニック結晶における新欠陥構造の提案と解析をさらに進めた。さらに、以上の研究により次世代の半導体レーザのあり方を浮き彫りにすることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】35,300千円 (直接経費: 35,300千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】06555100 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / 微小共振器 / レーザ / 化合物半導体 / 光デバイス / 歪構造 / 半導体レーザ / 量子ドット / ステップエッジ

【研究成果の概要】

21世紀の超高速大容量光情報伝送や光情報処理の実現のためには、時間軸と空間軸の両方において高密度化が可能な光源の開発が不可欠である。しかし実現の道はそれほど近くはない。したがって、このような次世代光技術をささえるために新たな半導体レーザを開拓し、その技術を確立することは急務といわざるを得ない。
本試験研究では、上述の究極レーザのひとつとして、量子細線を活性層に有する垂直型微小共振器レーザをこれまでの本研究者の実績をふまえて試作し、その高性能性を明らかにする。これにより「量子微小レーザ」が超高密度(時間的・空間的)集積光システムの中心になり得ることを実証し、次世代の集積レーザのあり方が浮き彫りにする。
本研究計画で得られた成果は,量子ドットの作製技術としては,(1)形成の初期過程の観察(2)自然配列化(3)新しい作製法の開拓(4)微小共振器量子ドットレーザ作製(5)壁開面上への量子細線の選択成長について成果を挙げるとともに,ナノメートルスケールの光・電子相互作用の解明として(6)近接場光顕微鏡による量子ドットの光学評価(7)マイクロフォトルミネッセンスによる2次元電子ガスとポイントコンタクト構造における電子の噴出現象の可視化を進めた。さらに,(8)共振器ポラリトンにおける励起子-励起子散乱の効果の解明(9)微小共振器中の量子井戸における磁気励起子効果の観測(10)2次元フォトニック結晶における新欠陥構造の提案など,共振器効果についても重要な知見を得ることができた。
これらに加えて垂直共振器型量子細線レーザおよび垂直共振器型量子ドットレーザを試作し,光ポンピングによる低温レーザ発振に成功した。
本研究成果はナノ構造を有する半導体レーザの実用性の可能性を明らかにしたものであり,今後のデバイス技術の発展に大きく寄与するものである。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】13,200千円 (直接経費: 13,200千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】05452194 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子細線 / 量子箱 / 歪構造 / MOCVD / 量子ドット / 半導体レーザ / 微小共振器 / ステップエッジ

【研究成果の概要】

本研究では、新たに「歪(ひずみ)」の効果を量子細線や量子ドットに導入することにより、半導体レーザの超高速化を図ることを目的として基礎研究を行う。そのために歪量子細線や量子ドットなどいわゆる「歪量子マイクロ構造」をMOCVD選択成長法を用いて実現する。さらにこれらの技術に基づき、電子・光物性を実験的に明かに歪量子マイクロ構造を有するレーザ(すなわち歪量子細線レーザおよび歪量子ドットレーザ)の実現を図り、このレーザが超高密度(時間的・空間的)次世代集積光システムの中心になり得ることを実証することをめざす。本研究により、次世代の超高性能レーザのあり方が浮き彫りになるとともに、ナノ構造デバイスの実現化の道が切り開かれることが期待できる。
具体的効果は次のとおりである。(1)歪量子ドットをMOCVD法を用いた自然形成法を用いて作製し、その光物性を明らかにした。そのサイズは15nmであり、この手法によって作製されたものとしては世界最小である。特に、自然形成法の問題点である位置の制御、密度の制御について研究をすすめた。特にステップバンチング現象を用いてマルチステップエッジを直線的に形成し、この上に量子ドットを成長させる。これにより量子ドットの配列化が可能となった。(2)選択成長法を用いて歪量子細線を作製した。(3)微小共振器を有する歪量子細線レーザを世界で初めて作製し、77Kにおけるレーザ発振に成功ひた。
本研究でえられた成果は次世代の半導体レーザの発展にきわめて有用である。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1993 - 1994

【配分額】6,800千円 (直接経費: 6,800千円)

【研究分野】電子機器工学

【研究領域課題番号】04555083 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体レーザ / 量子細線 / MOCVD / 微小共振器 / 半導体レ-ザ / 量子マイクロ構造 / 量子井戸 / 量子ドット / ガリウムひ素 / インジウムガリウムひ素

【研究成果の概要】

21世紀の超高速大容量光情報伝送や光情報処理の実現のためには、時間軸と空間軸の両方において高密度化が可能な光源の開発が不可欠である。これまで、空間軸上では、面発光レーザを用いた2次元集積アレイ化が試みられている。しかし、消費電力を抑えるためにしきい値電流を下げるという課題が残っている。一方、時間軸上では100GHz以上の変調が必要であるが実現の道はそれほど近くはない。
本研究では、本研究代表者のこれまでの研究実積に基づき、量子細線レーザーの実現のための作製技術の確立をはかり、このレーザが超高密度(時間的・空間的)集積光システムの中心になり得ることを実証することをめざしてきている。本研究により、次世代の集積超レーザのあり方が浮き彫りになるとともに、ナノ構造デバイスの実用化の道を切り開くことができる。
本年度は、MOCVD選択成長によりファブリペロ-共振器を有する歪量子細線レーザを作製し、光励起実験を低温で行った。さらに、これらの技術を踏まえて、垂直微小共振器構造を有する歪量子細線レーザを試作することに成功した。微小共振器効果が存在することを、フォトルミネッセンス測定を通じて確認するとともに、77Kにおいて光励起実験を行った。これらの結果は、電子と光子を3次元的に閉じ込めた突極のレーザである「微小量子レーザ」の実現への第一歩として位置付けることができ、また、実用化への道を開くものである。当初の目的は十分達成されたと考えられる。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】12,100千円 (直接経費: 12,100千円)

【研究分野】電子機器工学

【研究領域課題番号】03452178 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マイクロ共振器 / 半導体レーザ / 量子細線 / 量子ドット / 励起子 / 選択成長 / MOCVD / 量子効果 / 垂直共振器 / 量子井戸レ-ザ / 量子箱 / フォトルミネッセンス / 半導体レ-ザ

【研究成果の概要】

本研究では、半導体レーザにおいて電子波と光波の両方の量子場の完全制御をおこない、次世代の超高性能レーザのあり方を浮き彫りにすることを目的として、電子波を完全に制御する量子構造(量子井戸、または量子細線・量子箱)と、光波を完全に制御する3次元的なマイクロ光共振器を有する量子マイクロ共振器レーザの作製技術の開拓とこのようにモードが完全に制御された光の場と電子波との相互作用の理論的・実験的究明をおこなった。
まず、量子細線・量子ドットの作製技術の確立をめざして、MOCVD選択成長によるGaAs量子細線・量子ドットの実現をはかり、その光学的性質を明らかにした。その結果、一辺が7nm程度のGaAs電子細線および横寸法25nmの量子ドットを作製することに成功した。さらにさまざまな寸法の量子細線を作製について、そのフォトルミネッセンス(PL)、PL励起スペクトルの測定を行い、量子準位に対応したピークのブルーシフトが得られることを示した。さらに、励起子の寿命を測定し、量子細線閉じ込めが強くなると、長くなるとを見いだした。
一方、半導体マイクロ共振器効果については、垂直共振器の反射スペクトルにおいて、励起子モードと共振器モードの結合による共振モードの分離現象を観測した。その結果、励起子モードと共振器モードのエネルギーが一致しているとき、結合効果によるスペクトルの分離を観測することに成功した。この現象は真空Rabi振動と解釈できる。さらに、選択成長を用いてエッチング技術を用いずに3次元マイクロ共振器の作製を試みた。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1991 - 1992

【配分額】6,300千円 (直接経費: 6,300千円)