2017 Fiscal Year Annual Research Report
量子井戸・メタ表面の融合による低毒性中赤外検出器の開発
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15H02011
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
宮崎 英樹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (10262114)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
間野 高明 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (60391215)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / メタマテリアル / メタ表面 / 量子井戸 / 中赤外光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目標は、極薄エピ層移植技術を確立してIII-V族半導体多重量子井戸（MQW）をAu基板・Auストライプから成るメタ表面に挟み込み、高感度・低雑音で高温動作可能な中赤外検出器を実現することである。有害なHg、Cdに依存したMCT検出器に代わる低毒性中赤外検出器として、量子井戸のサブバンド間遷移を利用する量子井戸赤外検出器（QWIP）が有望とされてきた。しかし、遷移の選択則という強い原理的制約により、十分な感度は実現されていない。本研究では、メタ表面の電場回転・電場増強機能により、入射光を完全に吸収して電流に変換し、10μm帯にて、従来のMCT検出器に匹敵する量子効率50%、検出能5×10＾10cmHz＾1/2/Wをわずか数層の量子井戸で実現することを目指している。
平成29年度の第一の課題は、設計通りの特性をメタ表面化後にも維持するための、コンタクト層高抵抗化問題の解決であった。系統的な接触比抵抗測定、ホール測定による電荷密度実測、ＳＩＭＳ分析により、接触比抵抗は顕著なドーパント濃度依存性、結晶成長温度依存性を示すことがわかり、最適な濃度域、温度域を特定することができた。これは赤外検出器に限らず、量子カスケードレーザなどの量子井戸デバイスにも有効な汎用性の高い技術である。特許出願および学会発表を行った。
第二の課題は、現在、単一波長、単一偏光にしか感度を持たないメタ表面赤外検出器を、メタ表面構造の改良により、複数の感度波長や、複数の偏光への応答性を持たせる高性能化であった。複数のストライプを組み合わせた２波長検出器や、２方向に直交させた無偏光検出器を実現することができた。
第三の課題は、赤外検出器の多画素化であった。読み出し集積回路を選定・購入し、これを自作量子井戸構造と接合するための予備加工まで終えることができた。また、接合に必要な種々の予備実験を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
同一機関に所属する研究分担者との有機的な協力体制が極めて有効に機能し、順調に進展していると判断している。初年度は当初計画以上に進展していたが、現在はそれに比べると計画に対する進展度は顕著でない。これは初年度に立て続けに確立したと考えていた極薄エピ層移植技術やプラズモン共鳴と両立する独自のオーミック接合について、研究の進展・深化により、様々な問題点が明らかになり、現象解明や条件の改良に時間を費やしていたためである。例えば、基板移植については、接合温度が高すぎ、金属の拡散や共晶反応により、基板の奥にボイドが存在することが明らかになった。これは接合温度を再度最適化することで解決した。オーミック接合については特に大きな問題であり、昨年度中にその深刻さに気付き、今年度中に解決することができたが、そのためには多数の実験による系統的な解析が必要であった。しかしながら、これらの努力により、個々の要素技術の完成度が向上し、試料の再現性や性能が格段に高くなった。
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| Strategy for Future Research Activity |
第二の課題の高性能化、第三の課題の多画素化は大きく進展したものの、いずれも完成されていない。最終年度は引き続きそれらを確立し、評価実験を実施していく。また、特許出願、論文発表など、４年間の研究の成果をとりまとめる一方で、赤外検出器以外の量子井戸デバイスとメタ表面の融合についても将来の展望を得たい。
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