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2012 Fiscal Year Annual Research Report

極性ワイドギャップ半導体の量子情報処理応用に関する研究

Research Project

Project/Area Number 23686010
Research InstitutionTohoku University

Principal Investigator

片山 竜二  東北大学, 金属材料研究所, 准教授 (40343115)

Project Period (FY) 2011-04-01 – 2014-03-31
Keywords窒化ガリウム / 酸化チタン / 第二高調波発生 / 反応性スパッタリング
Research Abstract

本年度は、前年度に第二高調波発生を実証した周期的極性反転GaN導波路による縦QPM構造に代えて、作製の比較的容易なTiOx/GaN導波路による横QPMによる波長変換を実現するべく、スラブ導波路素子の作製技術を開発した。
まず下部導波層として用いる非線形光学活性材料として、サファイア基板上GaNを有機金属気相成長(MOVPE)法を用いて成膜した。本研究で目指すスラブ導波路の下部導波層の厚さは200 nm程度と薄い一方で、MOVPE法において通常広く用いられるGa極性膜では初期に島状成長が発生し、これらが会合する500 nm以上の膜厚でなければ光学的に平坦な膜が出来ないことが知られていることから、これに代えてN極性膜による薄膜の平坦化を試みた。微傾斜角0.8°のc面サファイア基板を用い、成長直前に基板表面を窒化後、550°CでGaN緩衝層を堆積したうえで1070°Cに昇温し成膜した。走査型電子顕微鏡、原子間力顕微鏡による観察から、N極性膜の成長においては初期から二次元成長モードが実現され、膜厚100 nm以下でも十分に平坦な膜ができることが分かった。続いて上部導波層として用いる、反転対称性を有する非線形光学不活性な材料として、TiOxの成膜条件を探索した。まず平行平板型反応性RFスパッタリング装置を用いて、ガラス基板上に2インチ金属Tiターゲットを用い、RF出力は200 W、成膜時間は180分、Ar流量を10 sccmと一定とし、一方O2流量を0.5~5.0sccmと変化させて成膜した。スパッタリング圧力1.75、2.0、2.5 Paの特定のO2流量の条件において、表面粗さ2.0 nmの平坦膜が得られることが分かった。また反応性RFマグネトロンスパッタリング装置を用いることで、膜厚の均一性が顕著に向上することも確認された。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

初年度はまず周期的極性反転GaN縦QPM導波路から高効率第二高調波発生の実証に成功し(実証実験で得られた波長425 nmの紫色光は、半導体の疑似位相整合構造を用いた中では最短波長の第二高調波発生)、ワイドギャップ半導体の量子光学応用のアドバンテージを明確に示すことができたが、昨年度は横QPMという新規素子構造の提案のために必要な、膜質・発光効率等の改善・条件出しに注力をしたため。

Strategy for Future Research Activity

初年度は震災の影響により酸化物薄膜の成膜設備の導入が遅れたが、24年度にこの運転の目処がついた。TiOx/GaN線形・非線型導波路を今後進め、一方でZnO/GaN極性反転導波路に代えてGaN/GaNの極性反転構造の作製に切り替える。これと並行して、共鳴ハイパーパラメトリック散乱の実現のために、InGaN/GaN量子井戸構造の高品質化を進める。一方、第二高調波発生に成功した周期的極性反転導波路構造については、これと逆の非線形光学過程である光パラメトリック下方変換について、実証実験を進める。

  • Research Products

    (23 results)

All 2013 2012

All Journal Article (4 results) (of which Peer Reviewed: 3 results) Presentation (19 results) (of which Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Investigation of indium incorporationinto InGaN by nitridation of sapphire substrate in MOVPE2013

    • Author(s)
      J. H. Choi, K. Shojiki, T. Tanikawa, T. Hanada, R. Katayama and T. Matsuoka
    • Journal Title

      phys. stat. sol. (c)

      Volume: 10 (3) Pages: 1417-420

    • DOI

      10.1002/pssc.201200667

  • [Journal Article] Tilted domain and indium content of MOVPE-grown InGaN layer on m-plane GaN substrate2012

    • Author(s)
      K. Shojiki and R. Katayama(他4名)
    • Journal Title

      Jpn. J. Appl. Phys

      Volume: 51 Pages: 04DH01-1-4

    • DOI

      10.1143/JJAP.51.04DH01

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Effect of Nitridation on Indium-composition of InGaN Films2012

    • Author(s)
      J. H. Choi, S. Kumar, S. Y. Ji, K. Shojiki, T. Hanada, R. Katayama and T. Matsuoka
    • Journal Title

      Key. Eng. Mater.

      Volume: 508 Pages: 193-198

    • DOI

      10.4028/www.scientific.net/KEM.508.193

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Biexciton Luminescence from Individual Isoelectronic Traps in Nitrogen delta-Doped GaAs2012

    • Author(s)
      K. Takamiya, T. Fukushima, S. Yagi, Y. Hijikata, T. Mochizuki, M. Yoshita, H. Akiyama, S. Kuboya, K. Onabe, R. Katayama, H. Yaguchi
    • Journal Title

      Appl. Phys. Express

      Volume: 5 (11) Pages: 111201 1-3

    • DOI

      10.1143/APEX.5.111201

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] MOVPE成長N極性InGaNにおけるIn組成のc面サファイア基板微傾斜角依存性2013

    • Author(s)
      正直花奈,崔正焄,進藤裕文,木村健司,谷川智之,花田貴,片山竜二,松岡隆志
    • Organizer
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      神奈川工科大学
    • Year and Date
      20130327-20130330
  • [Presentation] Inサーファクタントによる(0001)GaNのMOVPE成長におけるステップフロー成長の促進2013

    • Author(s)
      逢坂崇,谷川智之,正直花奈子,木村健司,岩渕拓也,花田貴,片山竜二,松岡隆志
    • Organizer
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      神奈川工科大学
    • Year and Date
      20130327-20130330
  • [Presentation] サファイア基板上GaN薄膜のMOVPE成長挙動の格子極性依存性2013

    • Author(s)
      吉野川伸雄,岩渕拓也,正直花奈子,木村健司,谷川智之,片山竜二,松岡隆志
    • Organizer
      第60回応用物理学会春季学術講演会
    • Place of Presentation
      神奈川工科大学
    • Year and Date
      20130327-20130330
  • [Presentation] MOVPE成長(0001) GaNのステップフロー成長の促進2012

    • Author(s)
      逢坂崇,正直花奈子,岩渕拓也,木村健司,谷川智之,花田貴,片山竜二,松岡隆志
    • Organizer
      第67回応用物理学会東北支部学術講演会
    • Place of Presentation
      東北大学
    • Year and Date
      20121206-20121207
  • [Presentation] MOVPE成長N極性InGaNにおけるIn組成のc面サファイア基板微傾斜角依存性2012

    • Author(s)
      正直花奈子,崔正焄,進藤裕文,木村健司,谷川智之,花田貴,片山竜ニ,松岡隆志
    • Organizer
      第67回応用物理学会東北支部学術講演会
    • Place of Presentation
      東北大学
    • Year and Date
      20121206-20121207
  • [Presentation] サファイア基板上GaN薄膜の有機金属気相成長初期過程における表面モフォロジーの格子極性依存性2012

    • Author(s)
      吉野川伸雄,岩渕拓也,正直花奈子,木村健司,谷川智之,片山竜二,松岡隆志
    • Organizer
      第67回応用物理学会東北支部学術講演会
    • Place of Presentation
      東北大学
    • Year and Date
      20121206-20121207
  • [Presentation] (0001)面、(000-1)面GaN上へMOVPE成長したInGaNの表面モフォロジーとIn取り込み2012

    • Author(s)
      谷川智之,正直花奈子,崔正焄,片山竜二,松岡隆志
    • Organizer
      第67回応用物理学会東北支部学術講演会
    • Place of Presentation
      東北大学
    • Year and Date
      20121206-20121207
  • [Presentation] Violet second harmonic generation from polarity inverted GaN waveguides2012

    • Author(s)
      R. Katayama, S. Kurokawa, Y. Fukuhara, M. Kakuda, S. Kuboya, K. Onabe, T. Tanikawa, T. Hanada and T. Matsuoka
    • Organizer
      Int. Workshop on Nitride Semiconductors (IWN2012)
    • Place of Presentation
      Sapporo, Japan
    • Year and Date
      20121014-20121019
    • Invited
  • [Presentation] Comparison of crystalline quality in InGaN grown on (0001) and (0001) GaN/Sapphire by metal-organic vapor phase epitaxy2012

    • Author(s)
      T. Tanikawa, R. Katayama and T. Matsuoka
    • Organizer
      Int. Workshop on Nitride Semiconductors (IWN2012)
    • Place of Presentation
      Sapporo, Japan
    • Year and Date
      20121014-20121019
  • [Presentation] Study of In-composition of InGaN islands on m-plane GaN substrate using high-resolution microbeam XRD2012

    • Author(s)
      J.H. Choi, K. Shojiki, T. Shimada, T. Tanikawa, T. Hanada, R. Katayama, T. Matsuoka, Y. Imai and S. Kimura
    • Organizer
      Int. Workshop on Nitride Semiconductors (IWN2012)
    • Place of Presentation
      Sapporo, Japan
    • Year and Date
      20121014-20121019
  • [Presentation] (0001)および(000-1)面GaN上へMOVPE成長したInGaNの結晶品質比較2012

    • Author(s)
      谷川智之,片山竜二,松岡隆志
    • Organizer
      第73回応用物理学会学術講演会
    • Place of Presentation
      愛媛大学
    • Year and Date
      20120911-20120914
  • [Presentation] Enhancement of violet second harmonic generation in periodic polarity-inverted GaN waveguides2012

    • Author(s)
      R. Katayama, Y. Fukuhara, M. Kakuda, S. Kuboya, K. Onabe and T. Matsuoka
    • Organizer
      17th Int. Conf. Molecular Beam Epitaxy
    • Place of Presentation
      Nara, Japan
    • Year and Date
      20120723-20120728
  • [Presentation] Enhanced second harmonic generation from periodic polarity-inverted GaN waveguide2012

    • Author(s)
      R. Katayama, Y. Fukuhara, M. Kakuda, S. Kuboya, K. Onabe, and T. Matsuoka
    • Organizer
      Int. Conf. on Superlattices, Nanostructures, and Nanodevices (ICSNN2012)
    • Place of Presentation
      Dresden, Germany
    • Year and Date
      20120722-20120727
  • [Presentation] Linear and nonlinear optical investigations of periodic polarity-inverted GaN waveguides2012

    • Author(s)
      R. Katayama, Y. Fukuhara, M. Kakuda, S. Kuboya, K. Onabe, and T. Matsuoka
    • Organizer
      4th Intern. Symp.on Growth of III- nitrides (ISGN-4)
    • Place of Presentation
      St. Petersburg, Russia
    • Year and Date
      20120716-20120719
  • [Presentation] Enhancement of In-incorporation into InGaN by nitridation of sapphire substrate in MOVPE2012

    • Author(s)
      J. H. Choi, S. Kumar, K. Shojiki, T. Hanada, R. Katayama andT. Matsuoka
    • Organizer
      4th Intern. Symp.on Growth of III- nitrides (ISGN-4)
    • Place of Presentation
      St. Petersburg, Russia
    • Year and Date
      20120716-20120719
  • [Presentation] Influence of Sapphire Substrate Miscut Angle on Indium Content of MOVPE-grown InGaN Films2012

    • Author(s)
      K. Shojiki, H. Shindo, S. Y. Ji, V. S. Kumar, J. H. Choi, Y. H. Liu, T. Hanada, R. Katayama, and T. Matsuoka
    • Organizer
      4th Intern. Symp.on Growth of III- nitrides (ISGN-4)
    • Place of Presentation
      St. Petersburg, Russia
    • Year and Date
      20120716-20120719
  • [Presentation] Violet-colored enhanced second harmonic generation from periodic polarity- inverted GaN waveguide2012

    • Author(s)
      R. Katayama, S. Kurokawa, Y. Fukuhara, M. Kakuda, S. Kuboya, K. Onabe, T. Tanikawa, T. Hanada and T.Matsuoka
    • Organizer
      The 31st Electronic Materials Symposium (EMS-31)
    • Place of Presentation
      Shuzenji, Japan
    • Year and Date
      20120711-20120714
  • [Presentation] Influence of sapphire substrate miscut angle on Indium content of MOVPE-grown InGaN films2012

    • Author(s)
      K. Shojiki, J. H. Choi, H. Shindo, S. Y. Ji, V. S. Kumar, Y. H. Liu, T. Hanada, R. Katayama and T. Matsuoka
    • Organizer
      The 31st Electronic Materials Symposium (EMS-31)
    • Place of Presentation
      Shuzenji, Japan
    • Year and Date
      20120711-20120714
  • [Presentation] マイクロファセットができたm面InGaN薄膜のIn濃度分布観察2012

    • Author(s)
      花田貴,崔正焄,正直花奈子,今井康彦,木村 滋,島田貴章,片山竜二,松岡隆志
    • Organizer
      プレIWN2012
    • Place of Presentation
      東京大学
    • Year and Date
      20120404-20120408

URL: 

Published: 2014-07-24  

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