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2016 Fiscal Year Annual Research Report

窒化物半導体を用いた未開拓波長量子カスケードレーザの研究

Research Project

Project/Area Number 15H05733
Research InstitutionInstitute of Physical and Chemical Research

Principal Investigator

平山 秀樹  国立研究開発法人理化学研究所, 平山量子光素子研究室, 主任研究員 (70270593)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 寺嶋 亘  国立研究開発法人理化学研究所, 平山量子光素子研究室, 研究員 (30450406)
鎌田 憲彦  埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (50211173)
Project Period (FY) 2015-05-29 – 2020-03-31
Keywords量子カスケードレーザー / 窒化物半導体 / バンド内遷位 / 超格子 / テラヘルツ
Outline of Annual Research Achievements

量子カスケードレーザ(QCL)は、5~12 THz及び3μm以下の波長の動作は不可能であり、動作範囲も大幅に制限されている。本研究は、窒化物半導体を用いてQCLの動作範囲を大幅に拡大することを目的とする。窒化物半導体のLOフォノン吸収エネルギーはGaAsの約3倍と大きく、未踏周波数を含む3~20 THzの動作が可能となる。また、伝導帯のバンド不連続値は最大で1.9eVと極めて大きいため1~8μm帯のQCLが可能となり、QCLの動作範囲を飛躍的に拡大することができる。我々は、GaN系QCLの作製に着手し、世界で初めてのレーザ発振に成功した。本研究では、これまで培ってきた窒化物の高品質成長技術を進化させ、また「純粋3準位量子構造」と「間接注入機構」を融合させた革新的量子設計を取り入れることにより、未開拓領域を含む幅広い周波数範囲のQCLを実現することを目標とする。
平成28年度では、GaN/AlGaN系QCL構造作製のためのMOCVDの材料ガス供給系を構築し装置を完成させ運用を開始した。THz-QCLの高温・高出力動作の基礎実験としてGaAs系のTHz-QCLを作製し最高出力250mWの高出力動作を確認した。また、GaN系QCLの詳細な構造設計についてシミュレーションをベースとした詳細な検討を行った。その結果GaN系QCL導波路構造はSi基板上に作製することが望ましく、また、大きな光閉じ込めを得るために両面金属導波路が重要であることが明らかになった。そのような背景から本年度Si基板上のGaN系QCLの試作に着手した。Si加工基板(PSiS)上へのAlN横方向埋め込み成長(ELO)を行うことによりSi上高品質AlNバッファー層の作製に成功した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

H28年度では、本研究で予定していたGaN系QCL結晶成長用のMOCVD装置を予定通り完成させ運用を開始した。また、GaN系QCL作製に用いているMBE結晶装置の製膜の均一性と再現性を向上するなど製膜技術の見直しも行った。また、QCLの低温自動測定系も充実させた。GaAs系を用いた基礎実験ではサブワットクラス高出力THz-QCLを実現する方法も確立しつつある。GaN系QCL研究の土台となる結晶成長、素子化プロセス、測定技術が確立し再現性が確保されてきたため本研究は全体的に順調に進んでいる。一方、今年度から導入したシミュレーションによる詳細な構造設計において、いくつか方向性の見直しが必要となってきた。これまで誘導放出が確認できたものの出力が低かった理由として、サファイア基板を用いると十分な光閉じ込めが得られずレーザー発振に必要な光利得が得られないことがわかってきた。今年度から直ちにSi基板上へのGaN-QCL作製を開始しており、今後QCLから期待できるレーザー出力が得られると考えられる

Strategy for Future Research Activity

本研究では、「純粋3準位量子構造」に基づく量子設計によるAlGaN/GaN系未開拓波長QCL設計と低閾値・高温動作の実現、MBE法に加えMOCVD法を用いたGaN/AlGaN多層QCL構造の高品質・高精度成長技術の開拓、片面及び両面金属導波路型QCL構造作製によるTHz帯QCLの実現と室温発振の実現、AlGaNクラッド層もしくは誘電体光閉じ込め層を有するQCL構造作製による中赤外QCLの実現とその高性能化、の4つの研究指針を進行させることにより、窒化物半導体・未開拓波長QCLを開拓していく計画である。
H29年度では、引き続き「純粋3準位量子構造」に基づくTHz-QCLの設計と試作を行い、今後の高性能化の指針を示す。昨年度までに、GaN系THz-QCLの作製と評価を行い動作温度40Kまでの誘導放出発光、TM偏光特性などを実現した。一方、サファイア基板上に作製したGaN系QCL構造では、レーザ発振が得られるための十分な光閉じ込め係数が得られないことが明らかになってきた。そこで今年度から大きな光閉じ込め係数が得られるダブルメタル導波路型GaN系QCLの作製に着手し、レーザ発振動作を得る予定である。Si基板上の高品質AlGaNテンプレートを用いてその上にGaN/AlGaN QCLを成長し、その後Si基板を剥離してダブルメタルQCLを作製する。同QCLの結晶成長はMBE方とMOCVD法の両方の成長方法を用いて進める予定である。加えて、非平衡グリーン関数法を用いたGaN系QCLの光利得の解析を行い、十分な光利得が得られる構造を再検討する予定である。

  • Research Products

    (29 results)

All 2017 2016

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 4 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 12 results,  Invited: 10 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] Structural and electrical properties of semipolar (11-22) AlGaN grown on m -plane (1-100) sapphire substrates2017

    • Author(s)
      Masafumi Jo, Issei Oshima, Takuma Matsumoto, Noritoshi Maeda, Norihiko Kamata and Hideki Hirayama
    • Journal Title

      Phys. Status Solidi (c)

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      10.1002/pssc.201600248

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] High-Quality AlN Template Grown on a Patterned Si (111) Substrate2016

    • Author(s)
      B. T. Tran, H. Hirayama, M. Jo, N. Maeda, D. Inoue, T. Kikitsu
    • Journal Title

      Journal of Crystal Growth

      Volume: - Pages: -

    • DOI

      https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2016.12.100

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Performance improvement of AlN crystal quanlity grown on patterned Si (111) substrate for deep UV LED applications2016

    • Author(s)
      B. T. Tran, N. Maeda, N. Jo, D. Inoue, T. Kikitsu and H. Hirayama
    • Journal Title

      Scientific Report

      Volume: 6 Pages: 35681

    • DOI

      10.1038/srep35681

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] テラヘルツ量子カスケードレーザーの進展2016

    • Author(s)
      平山秀樹
    • Journal Title

      レーザー研究

      Volume: 44 Pages: 520-526

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] 高出力THz-QCLの進展2017

    • Author(s)
      林宗澤,寺嶋亘,平山秀樹
    • Organizer
      第3回理研-NICT合同テラヘルツワークショップ/第17回ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ
    • Place of Presentation
      情報通信研究機構(東京都小金井市)
    • Year and Date
      2017-02-27
  • [Presentation] Current status and next challenges for GaN-based QCLs2017

    • Author(s)
      Ke Wang, W. Terashima, T. T. Lin and H. Hirayama
    • Organizer
      第3回理研-NICT合同テラヘルツワークショップ/第17回ミリ波サブミリ波受信機ワークショップ
    • Place of Presentation
      情報通信研究機構(東京都小金井市)
    • Year and Date
      2017-02-27
  • [Presentation] テラヘルツ量子カスケードレーザの進展と展望2017

    • Author(s)
      平山秀樹、寺嶋亘、林宗澤
    • Organizer
      レーザー学会
    • Place of Presentation
      徳島大学(徳島県徳島市)
    • Year and Date
      2017-01-07
    • Invited
  • [Presentation] m面サファイア基板上半導性AlGaN/AlNの結晶成長と量子井戸発光特性2016

    • Author(s)
      大島一晟,定昌史,前田哲利,鎌田憲彦,平山秀樹
    • Organizer
      電子情報通信学会 レーザエレクトロニクス研究会
    • Place of Presentation
      京都大学桂キャンパス(京都府京都市)
    • Year and Date
      2016-12-13
  • [Presentation] Future of III-Nitrides-Efficient UVC Emitter and Terahertz QCLs2016

    • Author(s)
      H. Hirayama
    • Organizer
      Phtonics Conferense 2016
    • Place of Presentation
      Phoenix Park, Korea.
    • Year and Date
      2016-11-30 – 2016-12-02
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 半導体発光デバイス未踏領域の進展と展望2016

    • Author(s)
      平山秀樹
    • Organizer
      理研・分子研合同研究会 第13回エクストリーム・フォトニクス
    • Place of Presentation
      ホテル竹島(愛知県蒲郡市)
    • Year and Date
      2016-11-14 – 2016-11-15
    • Invited
  • [Presentation] 高出力THz QCLの最近の進展2016

    • Author(s)
      林宗澤,寺嶋亘,平山秀樹
    • Organizer
      理研・分子研合同研究会 第13回エクストリーム・フォトニクス
    • Place of Presentation
      ホテル竹島(愛知県蒲郡市)
    • Year and Date
      2016-11-14 – 2016-11-15
  • [Presentation] Recent progress of GaN-based terahertz quantum cascade lasers2016

    • Author(s)
      W. Terashima, T. T. Lin and Hideki Hirayama
    • Organizer
      5th Russia-Japan-USA-Europe Symposium on Fundamental & Applied Problems of Terahertz Devices & Technologies (RJUSE TeraTech-2016)
    • Place of Presentation
      東北大学(宮城県仙台市)
    • Year and Date
      2016-11-02
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] 高出力(250mW)THz量子カスケードレーザーの進展2016

    • Author(s)
      林宗澤,平山 秀樹
    • Organizer
      第4回「光量子工学研究-若手・中堅研究者から見た光量子工学の展開-」
    • Place of Presentation
      理化学研究所(埼玉県和光市)
    • Year and Date
      2016-11-01
  • [Presentation] 半極性AlN基板を用いた高効率LEDの開発2016

    • Author(s)
      大島一晟,定昌史,前田哲利,鎌田憲彦,平山秀樹
    • Organizer
      第4回「光量子工学研究-若手・中堅研究者から見た光量子工学の展開-」
    • Place of Presentation
      理化学研究所(埼玉県和光市)
    • Year and Date
      2016-11-01
  • [Presentation] Current Status and Future of III-Nitride Ultraviolet and THz Emittres2016

    • Author(s)
      H. Hirayama
    • Organizer
      International Workshop on Nitiride Semiconductors (IWN 2016)
    • Place of Presentation
      Orland, USA.
    • Year and Date
      2016-10-02 – 2016-10-07
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Growth of deep-UV (11-22) AlGaN quantum wells on m-plane (1-100) sapphire substrates2016

    • Author(s)
      T. Matsumoto, I. Oshima, N. Maeda, M. Jo, N. Kamata and H. Hirayama
    • Organizer
      International Workshop on Nitride Semiconductors 2016 (IWN2016)
    • Place of Presentation
      Orland, USA.
    • Year and Date
      2016-10-02 – 2016-10-07
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Structural and electrical properties of semipolar (11-22) AlGaN grown on m-plane (1-100) sapphire substrates2016

    • Author(s)
      I. Oshima, T. Matsumoto, N. Maeda, M. Jo, N. Kamata and H. Hirayama
    • Organizer
      International Workshop on Nitride Semiconductors 2016 (IWN2016)
    • Place of Presentation
      Orland, USA.
    • Year and Date
      2016-10-02 – 2016-10-07
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Improvement of AlN crystal quality on Si substrate for deep UV-LED Applications2016

    • Author(s)
      B. T. Tran, H. Hirayama, N. Maeda, M. Jo, D. Inoue and T. Kikitsu
    • Organizer
      International Workshop on Nitride Semiconductors 2016 (IWN2016)
    • Place of Presentation
      Orland, USA.
    • Year and Date
      2016-10-02 – 2016-10-07
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] THz quantum cascade laser toward high output power near liquid nitrogen temperature operation with dewar condenser2016

    • Author(s)
      T. Lin, W. Terashima and H. Hirayama
    • Organizer
      The 41th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves (IRMMW-THz2016)
    • Place of Presentation
      Copenhargen, Denmark.
    • Year and Date
      2016-09-25 – 2016-09-30
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Realization of Unexplored Frequancy Terahertz Quantum Cascade Lasers by using III Nitride Semiconductors2016

    • Author(s)
      W. Terashima and H. Hirayama
    • Organizer
      The 25th International Semiconductor Laser Conference (ISLC2016)
    • Place of Presentation
      神戸マリンパークオリエンタルホテル(兵庫県神戸市)
    • Year and Date
      2016-09-12 – 2016-09-15
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Effect of patterned-Si substrate on crystalline quality of AlN template2016

    • Author(s)
      B. T. Tran, H. Hirayama, N. Maeda, M. Jo, D, Inoue and T. Kikitsu
    • Organizer
      The 18th International Conference on Crystal Growth and Epitaxy (ICCGE18)
    • Place of Presentation
      名古屋国際会議場(愛知県名古屋市)
    • Year and Date
      2016-08-09
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Progress of high-power (250 mW) quantum cascade lasers2016

    • Author(s)
      Tsung-Tse Lin, Wataru Terashima and Hideki Hirayama
    • Organizer
      RAPAC2016
    • Place of Presentation
      ヒルトン東京(東京都新宿区)
    • Year and Date
      2016-08-02
  • [Presentation] THz量子カスケードレーザの進展と展望2016

    • Author(s)
      平山秀樹
    • Organizer
      第140回微小光学研究会
    • Place of Presentation
      日本女子大学(東京都文京区)
    • Year and Date
      2016-07-19
    • Invited
  • [Presentation] Fabrication of a-plane AlGaN quantum wells on r-plane sapphire2016

    • Author(s)
      M. Jo and H. Hirayama
    • Organizer
      Compound Semiconductor Week 2016 (CSW2016)
    • Place of Presentation
      とやま国際センター(富山県富山市)
    • Year and Date
      2016-06-28
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Progress of THz Quantum Cascade Laser using Nitride Semiconductor2016

    • Author(s)
      H. Hirayama, W. Terashima, S. Toyoda and N. Kamata
    • Organizer
      74th Device Research Conference (DRC 2016)
    • Place of Presentation
      Newark, USA.
    • Year and Date
      2016-06-19 – 2016-06-22
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] テラヘルツ量子カスケードレーザの進展と今後の展望2016

    • Author(s)
      平山秀樹、寺嶋亘、林宗澤
    • Organizer
      応用物理学会・テラヘルツ電磁波技術究例会
    • Place of Presentation
      東京大学生産技術研究所(東京都目黒区)
    • Year and Date
      2016-06-16
    • Invited
  • [Presentation] Modulation active structure design indirect injection sheme THz QCLs2016

    • Author(s)
      T. T. Lin and H. Hirayama
    • Organizer
      EMN Meeting on Terahertz 2016
    • Place of Presentation
      San Sebastian, Spain.
    • Year and Date
      2016-05-16
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] テラヘルツ量子カスケードレーザの最近の進展2016

    • Author(s)
      寺嶋亘、林宗澤、平山秀樹
    • Organizer
      レーザーカオス研究会
    • Place of Presentation
      おくとろ温泉やまのやど(和歌山県東牟婁郡)
    • Year and Date
      2016-05-13 – 2016-05-14
    • Invited
  • [Book] SEMICONDUCTORS AND SEMIMETALS [III-Nitride Semiconductor Optoelectronics]2017

    • Author(s)
      H. Hirayama
    • Total Pages
      474 (85-120)
    • Publisher
      Elsevier

URL: 

Published: 2018-01-16  

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