2019 Fiscal Year Research-status Report
積層方向の極性反転を利用したAlN波長変換デバイスの開発
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19K15045
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
林 侑介 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (00800484)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | AlN / 極性反転 / 波長変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
窒化インジウムガリウム（InGaN）系高出力レーザダイオードと非線形光学結晶を組み合わせた第2次高調波発生（SHG）は、小型かつ高効率な深紫外コヒーレント光源を実現するための有力な手段である。本研究では非線形光学材料として窒化アルミニウム（AlN）に注目し、横モード位相整合によるSHGデバイスを実現する。積層方向にAlNを極性反転させる技術が鍵となるため、申請者らが開発した高温ウェハ接合およびスパッタ条件制御を応用することでデバイス実証を目指す。本研究では、デバイスに適した極性反転方法を開発することでSHG動作を実現することを目指す。本年度は研究のコアとなる極性反転方法の改良および観察では重要な進展が得られた。成膜条件を調整することにより、膜厚850nmでクラックフリーなAlN薄膜の形成に成功した。これまではクラックの発生により膜厚が制限されており動作波長が深紫外に制限されていたが、本成果により近赤外帯での動作可能性が示された。続いて、この成膜条件が極性反転に与える影響が十分に解明されていないため、透過型電子顕微鏡（TEM）観察による構造解析を行った。これまで、HAADF-STEMやKOHエッチングを利用して極性反転の確認を行ってきたが、より簡便な断面観察手法として、動力学的回折理論に基づくフリーデル則の破れを利用した極性反転の観察に取り組んだ。回折ベクトルg=[0001]およびg=[000-1]における暗視野像観察においてコントラストの反転が見られ、膜厚減少に伴うコントラスト強度の振動が確認されたことから、極性反転構造の観察に成功した。
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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
研究のコアとなる極性反転方法の改良および観察では重要な進展が得られた。成膜条件を調整することにより、膜厚850nmでクラックフリーなAlN薄膜の形成に成功した。これまではクラックの発生により膜厚が制限されており動作波長が深紫外に制限されていたが、本成果により近赤外帯での動作可能性が示された。続いて、この成膜条件が極性反転に与える影響が十分に解明されていないため、TEM観察による構造解析を行った。これまで、HAADF-STEMやKOHエッチングを利用して極性反転の確認を行ってきたが、より容易な手法として、動力学的回折理論に基づいてフリーデル則の破れを利用した極性反転の観察に取り組んだ。回折ベクトルg=[0001]およびg=[000-1]における暗視野像観察においてコントラストの反転が見られ、膜厚減少に伴うコントラスト強度の振動が確認されたことから、極性反転の観察に成功した。また、デバイス設計では、導波路モードソルバーFIMMWAVEを利用した数値計算により位相整合条件を見積もった。深紫外から近赤外の広い範囲で位相整合条件を満たすことを確認した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は導波路への応用に着手する。スパッタ膜では欠陥準位やアーバックテールによる材料吸収を抑制することが本質的に重要であり、特に炭素が形成する欠陥準位は4.7 eV付近の強い光吸収と相関をもつことが知られている。現状では5E18 cm-3以上の高い水準にあるため、スパッタ条件の調整により1E18 cm-3未満に低減する。一方で、構造散乱による光損失は材料吸収より1桁低いオーダになるものの、レイリー散乱は波長の4乗の逆数に比例するため短波長になるほど細かい側壁ラフネスに留意する必要がある。例えばアルカリ溶液エッチングによるatomically flatなm面形成を利用して導波路側壁を形成するなど、窒化物半導体の特徴を活かした技術を積極的に利用する。これらの取り組みによって低損失導波路を実現し、SHGを実証するための基礎技術を確立する。
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| Causes of Carryover |
端数を使い切れなかったため、実験材料費、薬品費、出張費、論文出版費に使用する。
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