2018 Fiscal Year Research-status Report
赤外センシング応用に向けた波長可変型狭帯域熱輻射光源の開発
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17K14665
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
井上 卓也 京都大学, 工学研究科, 助教 (70793800)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 熱輻射 / フォトニック結晶 / 量子井戸 / GaN / 中赤外 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、量子井戸のサブバンド間遷移とフォトニック結晶を利用して熱輻射スペクトルを制御することで、所望の赤外線波長のみで狭帯域に発光し、発光波長を広範囲に変化させられる、波長可変型狭帯域熱輻射光源を開発することを目的としている。
本年度は、①波長3-5um帯で動作するGaN/AlGaNフォトニック結晶熱輻射光源の電圧変調動作の初期実証、②単一発光面から波長切替可能な狭帯域熱輻射光源の実証、の2つのテーマに取り組んだ。①に関しては、前年度に設計したpnダイオードの内部にGaN/AlGaN量子井戸を導入したウエハを用いて、電圧変調型フォトニック結晶熱輻射光源の作製プロセスの開発を行った。特に、高温（>500°C）でも使用可能なp型およびn型電極の形成手法について検討を行った結果、電極蒸着前のGaN表面のアルカリ性溶液エッチングおよび電極蒸着後のアニール条件を調整することで、500°Cにおいてもpnダイオードの一方向導電性を確認することができた。さらに、フォトニック結晶と電極を形成した光源の熱輻射スペクトルの評価を行ったところ、光源温度500℃において、逆方向電圧30Vの印加により、波長4umにおける放射率の変調に成功した。
一方、②に関しては、既に熱輻射強度の高速電圧変調動作が実現しているGaAs/AlGaAs量子井戸を利用して、その実証に取り組んだ。具体的には、井戸幅の異なる2種類の量子井戸をn-p-n接合の内部に含むウエハ構造に、厚さと格子定数を適切に調整した単一の三角格子フォトニック結晶を導入し、上部および下部n-GaAs層に電極を形成した光源を作製した。作製光源を150°Cに加熱したところ、波長8.1umと波長10.9umに２つの熱輻射ピークが得られた。さらに、上記電極に電圧を印加し、その極性を反転させることで、各ピーク強度を独立に制御することに成功した。
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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
前述の通り、本年度は、①波長4um帯で動作するGaN/AlGaNフォトニック結晶熱輻射光源の電圧変調動作の初期実証、②単一発光面から波長切替可能な狭帯域熱輻射光源の実証、の2つのテーマに取り組んだ。①に関しては、GaN pnダイオードのための電極作製プロセスの確立に時間を費やしたが、最終的に作製条件を見出し、最高温度500°Cにおいてダイオードの一方向導電性を確認することができた。その結果、これまで、GaAs/AlGaAs系長波長赤外熱輻射光源に限られていた電圧変調動作を、より高温・短波長で使用可能なGaN/AlGaNフォトニック結晶熱輻射光源にて実証することに初めて成功した。これは、本研究の目的である、発光波長を広範囲に変化させられる波長可変型狭帯域熱輻射光源の開発のための重要な要素技術と位置付けられる。本成果に関しては、査読付き国際会議の口頭発表に採択された。また、②に関しては、単一のフォトニック結晶から、離れた2つの赤外波長の熱輻射を出射し、かつその強度を独立に制御できることを実験的に実証することができた。その際、2つの量子井戸をn-p-n接合の内部に導入した構造を採用したことで、p電極作製工程が不要となり、光源の作製プロセスの簡略化が実現した。また、印加電圧の極性を変化させるというシンプルな方法で、波長切替動作が可能であることを実証することに成功した。なお、上記の光源から得られた波長8um帯および11um帯の赤外光に関しては、SF6やN2O等の種々の気体の吸収帯域に近く、非分散型赤外センシングへの応用が期待される。なお、本成果に関しても、査読付き学術論文に論文が掲載された。
以上の研究の進捗は、当初の研究実施計画に沿ったものであり、本研究課題は順調に進行しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である次年度においては、赤外線センシング応用のための波長可変型狭帯域熱輻射光源の開発に向けて、今年度に検討した２つの研究内容をさらに発展させることを目指す。①波長3-5um帯で動作するGaN/AlGaNフォトニック結晶熱輻射光源の電圧変調動作に関しては、今年度にその初期実証に成功したが、強度変調に必要な電圧が30Vと大きく、また得られた放射率の変調量も0.1程度と小さかった。そこで次年度は、はじめに、今年度に作製した熱輻射光源の電圧変調特性について、その温度依存性や応答周波数特性などの評価を行い、数値計算結果との詳細な比較を行う。そこで得られた知見をもとに、次に、より低電圧で大きな放射率変調が得られる熱輻射光源の再設計を行い、光源作製・評価を通して、放射率変調度の向上を目指す。一方、②単一発光面から波長切替可能な狭帯域熱輻射光源の実証、に関しては、今年度のうちに、当初の予定よりも早く、2波長切替動作の実験的実証に成功した。そこで次年度は、さらなる多波長化の実現可能性に関して数値計算をもとに検討を進めていく。また、今年度の実証はGaAs/AlGaAs量子井戸を用いた実証であったが、GaN/AlGaNフォトニック結晶熱輻射光源に関しても、同様の波長切替動作が可能な光源の設計を進め、短波長域（3-5um帯）での波長可変動作の実現可能性を明らかにすることを目指す。以上で得られた研究成果については、最終的に学術雑誌への論文投稿を行う予定である。
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| Causes of Carryover |
次年度使用額が生じてはいるが、その額は5万円程度と少額であり、ほぼ当初の予定通り予算を執行することができた。上記残り予算は、熱輻射スペクトル評価のための光学部品の購入に回す予定である。
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