【研究領域課題番号】18H01469 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体レーザー / 利得スイッチ / 超放射 / 光物性 / 非線形性 / 超放射、光物性 / 半導体物性

【研究成果の概要】

超放射と利得スイッチのクロスオーバー効果を特徴付ける電子系の量子力学的コヒーレンスの発現を定量的に評価するために、高密度キャリアが反転分布を形成した状態における位相緩和時間を計測した。弱励起条件から徐々にキャリア密度を上げてゆくと、位相緩和時間は数psから、時間分解能以下にまで減少したが、反転分布領域に達すると最長で0.34psまで伸長した。半導体ブロッホ方程式における２次摂動までのレベルで計算し、実験結果が理論的にも説明可能である結果を得た。

【研究の社会的意義】

半導体レーザーからの利得スイッチ型の短パルス発生において、超放射の寄与が発生する可能性について肯定的な結論が得られた。利得スイッチから超放射のクロスオーバーに至るレベルまで半導体レーザーからの高速パルスを単発直接発生できれば、パルス繰り返しや発生タイミングの自在制御が可能な小型堅牢光源として、レーザー加工や生命科学・医療分野などへの広い応用が拓ける。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2018-04-01 - 2021-03-31

【配分額】17,420千円 (直接経費: 13,400千円、間接経費: 4,020千円)

【研究分野】結晶工学

【研究領域課題番号】17H02773 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ゲルマニウム / 共鳴電子ラマン遷移 / 光利得 / 量子閉じ込め / バレー選択励起 / バレー間散乱 / 円偏光フェムト秒励起相関法 / Germanane / 共鳴電子ラマン散乱 / 誘導ラマン過程 / バンド間遷移 / バンド間遷移レーザー / 共鳴誘導ラマン過程 / 共鳴電子ラマン利得 / 非自明な誘導放出光発生機構 / スプリットオフ正孔 / 前方散乱ポンプ・プローブ測定 / フェムト秒円偏光蛍光相関測定 / 半導体物性 / 光物性 / 結晶工学 / 電子・電気材料 / 量子エレクトロニクス

【研究成果の概要】

CMOS集積回路の光インターコネクトや自動運転用センサなど広範囲の応用展開に向けてモノリシックⅣ族光機能集積素子が渇望されている。通信波長帯域に適合したⅣ族半導体光エミッタの実現は残された歴史的難題である。本研究では、ゲルマニウム(Ge)の電子ラマン遷移過程を利用した誘導放出光発生の新規方法論に関する物性研究を推進した。 (1)歪制御と励起条件最適化による共鳴電子ラマン発現条件の精査、(2)超高速分光による電子ラマン散乱ダイナミクス追跡、(3)低次元構造によるバンド構造制御、(4)歪Ge共振器構造設計と光利得機能実証の研究を通じて未踏の領域であるGeの電子ラマン介在光利得の実証を試みた。

【研究の社会的意義】

歪Geには疑似直接遷移化による顕著な光学特性・デバイス機能の向上が期待されている。しかし、現状、最も有力とされる本手法も必然的にバンドギャップ縮小を招き、その結果、意図しない中赤外領域へのエネルギーシフトが発生する。いきおいこれを克服することが喫緊の課題である。これに対して本研究は、未踏の新奇電子励起法を軸に高度光機能の発現に向けて非従来型の高機能構造の設計と戦略的な物性の制御を行うことでSWIR域におけるGeの光利得発現の実証を試みるものである。一方で単なる応用展開の模索にとどまることなく、Geの新しい光学特性や機能性は、新奇な半導体光物性の学理探求の契機となることが期待される。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】18,070千円 (直接経費: 13,900千円、間接経費: 4,170千円)

【研究分野】結晶工学

【研究領域課題番号】17H01056 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子センシング / 結晶工学 / 格子欠陥 / 半導体物性 / 光物性 / 放射線 / 量子エレクトロニクス

【研究成果の概要】

本研究では、炭化ケイ素（SiC）中の単一光子源（SPS）の発光やスピン特性を明らかにするとともに、それらSPSの状態制御技術の開発を目的に、a)SPSをSiCデバイス内の任意位置に導入する技術を開発し、光検出磁気共鳴（ODMR）を用いたSPSのスピン制御及びそれを応用した磁場センシングの実証、b)電圧印加や電流注入といったデバイス動作がSPSの発光やスピン特性といった量子状態に及ぼす影響を明らかにすることで、デバイス動作によるSPSの量子状態制御の基盤技術の構築、c)窒素-空孔（NcVsi）や表面SPSの形成条件や物性及び量子状態に関する情報を得た。

【研究の社会的意義】

量子コンピューティング、量子暗号通信技術や量子センシングといった量子技術の実用化には、安定・確実に動作する演算子（量子ビット）や量子センサの開発が不可欠である。本研究では、結晶成長技術やデバイス作製技術が確立しつつある炭化ケイ素（SiC）半導体に着目し、SiCを母材とした単一光子源（SPS）に関する研究を推進した。イオン照射技術等を駆使することで位置制御可能なSPS形成技術を開発したこと、形成したSPSのスピンや光学特性を明らかにしたこと、更には、SPSをSiCデバイス中に導入し、デバイス動作によるSPSの量子状態制御を実証したことは、将来の量子デバイスの開発に向けて大いに意義がある。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】43,940千円 (直接経費: 33,800千円、間接経費: 10,140千円)

【研究分野】物性Ⅱ

【研究領域課題番号】16H06717 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シフト電流 / Berry位相 / ワイル半金属 / 二次高調波発生 / 光起電効果 / 非線形応答 / 非平衡現象 / 物性理論 / 半導体物性 / 光応答 / 光物性 / 強相関電子系

【研究成果の概要】

空間反転対称性の破れた物質に特有の物理現象である異常光起電効果および二次高調波発生をゼロギャップ半導体から絶縁体までの異なる性質を持つ物質系を対象として理論的に研究した．そして，ゼロギャップ半導体では，絶縁体とは異なる機構による異常光起電効果および二次高調波発生が見られることを見出した．また，絶縁体における研究では，Rice-Mele模型における異常光電流を非平衡Green関数法を用いて解析した．そして，従来のpn接合系における光起電効果と異なり，異常光起電効果が光電子の励起位置によらないことを確認した．これらの成果は今後の異常光起電効果の実験的研究に対して指針を提供することが期待できる．

【研究種目】研究活動スタート支援

【研究期間】2016-08-26 - 2018-03-31

【配分額】2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】15H03968 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体レーザー / 利得スイッチ / 超放射 / 光物性 / 半導体物性 / 非線形性 / 非線型性

【研究成果の概要】

高品質のGaAs多重量子井戸およびダブルヘテロ型の半導体レーザー試料を作製し、モード同期固体レーザーおよび自家製モード同期ファイバーレーザー・第２高調波などを用いて、インパルス強光励起した。出力短パルス光のダイナミクスを、2ps分解能ストリークカメラ、高速フォトダイオード、オートコリレータなどで評価計測した。強励起条件下での発生パルスの短波長成分をフィルターで切り出すとフェムト秒領域のパルス幅が得られること、ダブルヘテロ構造に対する量子井戸構造の優位性は認められずむしろ飽和利得の大きさがより重要であること、半導体2バンドレート方程式レーザー理論で定式化できることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2015-04-01 - 2018-03-31

【配分額】16,640千円 (直接経費: 12,800千円、間接経費: 3,840千円)

【研究分野】金属物性・材料

【研究領域課題番号】26630300 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

カーボンナノチューブ / 半導体物性 / 光物性 / 歪 / バンドギャップ / ナノチューブ・フラーレン

【研究成果の概要】

通常の半導体材料では、バンドエンジニアリングは組成制御やドーピングにより行われるため、外部から変調することは難しい。本研究では、次世代バンドエンジニアリングとしてナノカーボンに注目し、MEMS技術を用いた歪印可素子を開発し、歪によるバンドギャップ変調技術の構築を行った。その結果、カーボンナノチューブへ歪印加可能なデバイス作製に成功し歪印加によるPL波長シフトの観測に成功した。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2016-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】24360004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / 光物性 / エピタキシャル成長 / 量子光学 / 単一光子 / 量子もつれ光子対 / 半導体物性 / MBE、エピタキシャル / 応用光学・量子光光学 / 応用光学・量子光工学 / 励起子分子 / 原子層ドーピング / 等電子トラップ

【研究成果の概要】

原子層ドーピングを利用して、窒素原子およびエルビウム原子局所ドーピング構造半導体を作製し、量子情報通信において重要な役割を担う完全ランダム偏光かつ優れた波長再現性を有する単一光子および量子もつれ光子対の高効率生成を目指した。窒素原子局所ドーピング構造半導体を用いて、量子もつれ光子対生成に応用できるランダム偏光の励起子分子および励起子発光の観測に成功した。エピタキシャル成長中のエルビウム原子の表面偏析の温度依存性を定量的に調べることによって、原子層ドーピング構造半導体を作製するための条件として低温成長が必須であることを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2012-04-01 - 2015-03-31

【配分額】19,240千円 (直接経費: 14,800千円、間接経費: 4,440千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】21360004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体物性 / 光物性 / 応用光学・量子光工学MBE / エピタキシャル / 単一光子 / 結晶工学 / 応用光学・量子光工学 / MBE、エピタキシャル / MBE,エピタキシャル

【研究成果の概要】

原子層ドーピング技術を用いて局所ドーピング構造半導体を作製し、量子暗号通信などの量子情報技術において重要となる、優れた波長再現性・完全なランダム偏光などの特徴を有する単一光子発生の実現を目指した。窒素原子局所ドーピング構造半導体の作製に用いる基板面方位の選択によって量子暗号通信への応用にとって望ましい完全なランダム偏光を実現した。また、量子もつれ光子対生成につながる励起子分子発光の観測に成功した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】18,460千円 (直接経費: 14,200千円、間接経費: 4,260千円)

【研究分野】電子デバイス・電子機器

【研究領域課題番号】21360163 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコンフォトニクス / ゲルマニウム / 発光 / MBE、エピタキシャル / 半導体物性 / 光物性 / 光源技術 / 微小共振器

【研究成果の概要】

Si基板上にエピタキシャル成長したGe層を用い、電流注入型1. 5μm帯発光素子を実現することを目的として、研究を実施した。Si上Ge-pinダイオードにおいて、直接遷移による1. 5μm帯電流注入発光を観測した。発光の高効率化には、Geの伝導帯「点へ電子を注入し、価電子帯「点の正孔と再結合させることが効果的である。Г点に伝導帯下端をもつGaAsを電子注入に用いるn-GaAs/i-Ge/p-Siダイオードの作製を進めた。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】18,330千円 (直接経費: 14,100千円、間接経費: 4,230千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】18206004 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体 / 結晶成長 / 半導体物性 / 光物性 / エピタキシャル成長

【研究成果の概要】

我々は、有機金属気相成長法により、(0001)六方晶窒化ホウ素薄膜が、ニッケル(111)基板とサファイア(0001)基板上にエピタキシャル成長することを見出した。六方晶窒化ホウ素エピタキシャル薄膜は、カソードルミネッセンス測定から室温において227nm付近のバンド端近傍の発光を示し、その光学バンドギャップは、5.9eV、直接遷移であり、遠紫外発光材料として有望である。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2006 - 2009

【配分額】40,430千円 (直接経費: 31,100千円、間接経費: 9,330千円)