2019 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, 開拓研究本部, 主任研究員 (70270593)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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 |
現在開発されているテラヘルツ量子カスケードレーザ(THz-QCL)は、5～12 THzの周波数の動作は不可能であり、室温動作も不可能であるなど、その動作範囲は大幅に制限されている。本研究では、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。本研究では、窒化物の高品質成長技術と革新的量子構造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。
2019年度では、非平衡グリーン関数法を用いたGaN/AlGaN系THz-QCLの光利得の解析において、6-12THzにおいて光利得が最大となる量子カスケード構造の最適化を行い、その構造をMBE法により成膜した。サファイア基板はC面方向の屈折率が大きいため光閉じ込めが難しい事を示し、屈折率の低いAlN、SiC基板は導波路構造の形成に適していることを示した。SiC基板上のAlNバッファー/QCL構造のエピを検討し、貫通転位密度が少なくクラックのないAlN層の成膜に成功した。Si基板上の両面金属導波路QCLの作製を引き続き行った。Si基板上に形成したGaN系THz-QCL構造を用い、基板張り合わせ、ならびに、Si基板リフトオフプロセスを経て、両面金属導波路構造の作製を行い、理論予測された値に近い電流-電圧特性を得た。最後に、GaN/AlN-QCL層と透明導電性酸化膜クラッドからなる赤外（1～3μm）QCLの提案を行い、動作シミュレーションから、室温でレーザー発振可能な光利得が得られることを明らかにした。
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| Research Progress Status |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
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