2017 Fiscal Year Annual Research Report
Development of Quantum Computing System Based on Ferroelectric/Paraelectric Stacked Waveguides
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17H01063
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
片山 竜二 大阪大学, 工学研究科, 教授 (40343115)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
宮嶋 孝夫 名城大学, 理工学部, 教授 (50734836)
岩谷 素顕 名城大学, 理工学部, 准教授 (40367735)
上向井 正裕 大阪大学, 工学研究科, 助教 (80362672)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 窒化物半導体 / 強誘電体 / 非線形光学 / 量子計算 / 光導波路 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、これまで開発した半導体微細加工技術と薄膜結晶成長・ウエハ接合技術に加えて、窒化物半導体と強誘電体薄膜の集積技術を新たに確立することで、世界で初めて量子光源と量子ゲートを集積した、真の光導波路型量子計算システムの実現を目的とする。その際、まず窒化物半導体を用いた光導波路型の波長変換素子と量子回路の実装と動作実証を行い、並行して強誘電体薄膜の窒化物半導体上への積層技術の確立と物性評価を実施し、上記の二点で得られた成果を組み合わせた量子回路の高機能化の実証を行うことを目指している。
これまでの実績として、下記の進捗状況にて述べるように、(i)窒化物薄膜を用いた光導波路型方向性結合器の作製と動作実証、(ii)アモルファス酸化物薄膜の成膜技術の再検討、(iii)強誘電体・窒化物半導体積層構造の形成など、計画どおりの成果が得られた。特に(i)においては、これまで報告されたリブ導波路型デバイスに比べて、本研究において作製したストリップ導波路型デバイスは光閉じ込めが強いことからおよそ1/3の短尺化に成功しており、目的とする一連のデバイス・システムの小型化に繋がる画期的な成果である。また(iii)においては、接合圧力印加や高真空環境が不要な高温ウエハ対向アニール法という低コストで新規なウエハ接合手法の開発に成功し、加えて強誘電体と窒化物半導体の直接接合構造の形成に世界で初めて成功しており、これらは本研究の目的である量子計算システムのみならず、これまでエピタキシャル成長では実現し得なかった新奇ヘテロ構造デバイスの開発に適用可能な技術であり、当初計画以上の成果が得られたと考えている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
(1)窒化物半導体薄膜の成膜と素子形成技術の確立 サファイア基板上にMOVPE成膜したGaN薄膜を用いて、分光エリプソメトリによる屈折率分散の評価後、電子線描画装置と反応性イオンエッチング装置を用い、リブ導波路型方向性結合器およびストリップ導波路型方向性結合器を作製した。結合導波路長を調整することにより、経路エンコード型量子ゲートに必要な分波比1/2ならびに1/3のデバイスの作製に成功した。
(2)アモルファス酸化物薄膜の成膜と素子形成技術の確立 線形・非線形積層導波路による波長変換素子や量子ゲートの上部導波層に用いる、SiNx・ZrOxやTiOxなどのアモルファス酸化物の成膜方法を再検討した。これまで酸化物材料用反応性スパッタリング装置を用いて膜厚均一性と表面平坦性の良好な薄膜の成膜に成功しているが、カソード本数の制限があるため、上記装置をもとに、ターゲット原料交換がより容易なパルスレーザ堆積装置に改造した。今後は膜質が成膜毎に安定する材料を総合的に判断して選定し、波長変換素子、方向性結合器、位相変調器を順次作製する。
(3)強誘電体・窒化物半導体薄膜積層構造の形成技術の確立 表面活性化接合装置を用いて、窒化物半導体同士の極性反転積層構造であるGaN/GaN、AlN/AlNならびに、接合圧力印加や高真空環境が不要な高温ウエハ対向アニール法を用いたAlN/AlNの形成に成功した。更に、表面活性化接合装置における接合温度の低温化により、目的である強誘電体・窒化物半導体積層構造であるLiNb3/GaNの形成に成功した。何れも世界で初めての報告である。また並行してPMO3（P = Li, K, Na、M = Nb, Ta）強誘電体薄膜の成膜を検討した。酸化物薄膜エピタキシャル成長用のパルスレーザ堆積装置の改造・整備と並行して、スパッタリング法によるエピタキシャル成長を検討した。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度から進めている研究項目(1)窒化物半導体薄膜の成膜と素子形成技術の確立、(2)アモルファス酸化物薄膜の成膜と素子形成技術の確立、(3)強誘電体・窒化物半導体薄膜積層構造の形成技術の確立に加えて、下記項目を進める。
(4)窒化物半導体上に積層した強誘電体薄膜の物性評価 上記強誘電体薄膜について、分光エリプソメトリ装置を併用し、薄膜の光学定数とその波長分散を精密評価する。また抗電界まで電界印加し分極飽和させた試料、マイナーループ内で分極させた試料についてメーカフリンジ法により非線形光学定数を測定する。電気光学効果ないし熱光学効果による屈折率変調については、ストリップ装荷型導波路で構成されるマッハツェンダー干渉計を作製し、古典干渉により位相変調量を定量評価する。
(5)OPDC 素子の作製と評価 上記で求めた屈折率分散から位相整合条件を算出し、電磁界分布の重なり積分を最大化するチャネル幅・導波層厚などの最適構造を求め、素子を作製する。上部導波層として、本年度はアモルファス酸化物を用いる。共用設備である波長可変パルスOPO を用いて強励起し、OPDC素子単体からの二光子発生とその偏光関係を確認後、二光子の波長が共にポンプ光の倍となる縮退OPDC 条件を満たすよう、チャネル幅・層厚を合わせ込む。続いてCW 励起に切り替え、二光子の量子相関を確認する。具体的には、まず現有の780 nm 帯外部共振器型波長可変CW レーザにより励起し、1.55 μm 帯単一光子検出器SPD 二台と時間間隔アナライザを用いて、通信波長帯域でのHong Ou Mandel干渉測定を行う。続いて405 nm 帯波長可変CW レーザとSi-SPD 二台を新規導入し、810 nm 帯域での測定を試みる。また自由空間光学系による偏光量子もつれの評価を行い、量子光源としての機能を実証する。
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