2021 Fiscal Year Research-status Report
半導体三次元フォトニック結晶における電流注入型ナノ共振器レーザの実現
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21K04176
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| Research Institution | Kyoto Institute of Technology |
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Principal Investigator |
高橋 駿 京都工芸繊維大学, 電気電子工学系, 准教授 (60731768)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | フォトニック結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、光の完全な制御が可能となる三次元フォトニック結晶を半導体で作製し、これに電気的接続を試みることで、将来の光・電子回路の三次元集積デバイスにおける重要な素子のひとつとして、高効率な電流注入型の発光デバイスを開発することを目的としている。1年目であった当該年度では、三次元フォトニック結晶を形成する半導体薄膜構造の設計を行った。特に、電気的に接続することを考慮して、薄膜構造に配線用の引き出し線を新たに設けた構造設計を行った。三次元フォトニック結晶の設計については、蘭国Twente大学の教授との国際共同研究も行った。
また、本研究では、通信波長程度の三次元的な屈折率周期をもつ三次元フォトニック結晶の作製に、半導体薄膜を高精度に積層するマイクロマニピュレーション法を採用している。当該年度では、この手法のさらなる改善も実施し、新たに光学顕微鏡観察下での高精度で簡便な積層方法を開発した。この成果は学術論文を出版して広く国内外に報告した。
一方で、三次元フォトニック結晶の電気的接続への第一歩として、量子ドットを含む半導体薄膜を、マイクロマニピュレーション法によって金属電極上に配置し、低温でのフォトルミネッセンス測定を行った。その結果、量子ドットの発光波長が印加電圧によって変化することを観測し、量子閉じ込めシュタルク効果の観測に成功した。得られた量子ドットの発光波長の変化量は、印加電圧に対して1nm/Vであり、これまでに報告されてきた量子閉じ込めシュタルク効果の大きさと同程度であった。この成果は国内学会で発表した。
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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
当初の計画どおり、1年目であった当該年度では、三次元フォトニック結晶を形成する半導体薄膜構造の設計と作製を行った。特に、電気的に接続することを考慮して、薄膜構造に配線用の引き出し線を新たに設けた構造設計を行った。三次元フォトニック結晶の設計については、蘭国Twente大学の教授との国際共同研究も行った。
また、マイクロマニピュレーション法についても、新たに光学顕微鏡観察下での高精度で簡便な積層方法を開発し、学術論文を出版したほか、薄膜の形状に合わせた積層方法を新たに検討した。
さらに、三次元フォトニック結晶の電気的接続への第一歩として、量子ドットを含む半導体薄膜を、マイクロマニピュレーション法によって金属電極上に配置し、低温でのフォトルミネッセンス測定を行った。その結果、量子ドットの発光波長が印加電圧によって変化することを観測し、量子閉じ込めシュタルク効果の観測に成功した。この成果は国内学会で発表した。
以上のように、本研究はおおむね当初計画どおりに進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
1年目で三次元フォトニック結晶の電気的接続への第一歩として、半導体薄膜への電圧印加と低温光学測定に成功したことから、光学測定系の構築は順調に進んでいると言える。そこで、次年度では当初の計画どおり、n型ドープした半導体薄膜で三次元フォトニック結晶を作製し、電気的接続を試みる。試料作製では、三次元フォトニック結晶の中央の1枚のみ、活性媒質を含むn型半導体薄膜を用いる。測定では、n型半導体層を流れる電流がレーザ励起によって変化することを観測する。励起光の波長については、活性媒質のみが選択的に励起されるように選択する。なお、検出される電流変化は微小であるため、活性媒質における量子効率の高い極低温（4K）で測定を行い、電流の変化をロックインアンプを用いて検出する。
一方で、実施した光学測定からのフィードバックも含めて、配線用の引き出し線の設け方など、最適な半導体薄膜構造に向けて継続して改善を進める。また、三次元フォトニック結晶の設計については、引き続き、蘭国Twente大学の教授との国際共同研究を継続して行う。加えて、マイクロマニピュレーション法についても、薄膜の形状に合わせた積層方法を継続して検討する。
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| Causes of Carryover |
新型コロナウイルス（COVID-19）感染症および世界的な半導体不足の影響により、導入を検討している測定機器の納品が大幅に遅れていること、並びに学会などがオンライン開催・延期・中止になったことなどにより、物品費および旅費の使途が大きく制限されたことが理由である。
今後の使用計画としては、継続している新型コロナウイルス感染症および世界的な半導体不足の影響を注視しつつ、上述の測定機器などが年度内の納品となるように早期の導入を目指す。
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