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
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15H05733
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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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)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| 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 |
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| 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。
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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
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
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| 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。
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