2014 Fiscal Year Research-status Report
スペックルフリーInGaN系ナノコラムフォトニック結晶レーザー
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26870581
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| Research Institution | Sophia University |
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Principal Investigator |
石沢 峻介 上智大学, 理工学部, 研究員 (80587767)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | ナノコラム / ナノワイヤ / 窒化物半導体 / 半導体レーザー / フォトニック結晶 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
理論検討として，AlGaN層上に規則配列したGaNナノコラムについて電磁界解析を行い，キャビティーの設計とその妥当性を検証した。設計手法としては，垂直方向の積層構造における光閉じ込めモードの一次元計算と，面内方向のフォトニック結晶におけるバンド端の二次元モデルによる計算を組み合わせた手法を用いた。設計した三次元構造について時間領域差分（FDTD）法を用いて電磁界シミュレーションを行ったところ，特定の波長について光の閉じ込めが認められ，設計手法の妥当性が確かめられた。
GaNナノコラム下部のAlGaN系積層構造による光閉じ込め効果の実験的な検証も行った。まず，c面サファイア基板上の平坦膜GaNにAlGaN/GaN分布ブラッグ反射鏡（DBR）を成長した。AlGaNのAl組成は20%で，中央反射波長が520nmとなるように各層膜厚を制御し，12ペアの成長とした。DBRの表面に電子線リソグラフィーによってパターニングした膜厚5nmのTiマスクを用いて，GaNナノコラムをMBE法により選択成長し，その先端にInGaN量子井戸構造を成長した。
作製したサンプルについてYAGレーザー（波長355nm，パルス幅5ns）による光励起発光特性を調べた。周期260nmの三角格子配列ナノコラムについて測定した結果，0.2MW/cm2以上の励起強度で波長506.6nmに線幅2nm以下の鋭いピークが得られた。ピーク強度の励起強度依存性はしきい値を持った非線形特性となった。ナノコラムフォトニック結晶キャビティーによるレーザー発振と考えられるこの発光について，パルスごとの特性のばらつきを調べた。比較サンプルとして測定したGaNテンプレート上に直接成長したナノコラムに比べ，DBR上に成長したものでは発光強度と波長が安定化し，直線偏光に近い偏光特性となった。これはAlGaN層導入によりキャビティーモードが安定化したためと考えられる。
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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
理論検討においては，三次元構造であるAlGaN系積層構造上ナノコラムフォトニック結晶をレーザーキャビティーとして利用するための設計手法として，一次元計算と二次元計算を組み合わせた近似的方法が採用され，その設計された構造が光閉じ込め機能を持つことは三次元シミュレーションによって確認された。しかしながら，想定したモデルは最も単純な構造であり，実際の構造に近いモデルでの設計などが今後の課題となる。
サンプルの作製についてはおおむね計画通りに進行している。良好な平坦性を持つAlGaN DBRの結晶成長と，その上に高い均一性と周期性を持つInGaN系発光層を持つナノコラムを成長できることが実証され，さらに，電流注入デバイスへの展開を見据え，最上部にp型層が成長した構造が準備されている。平行して，デバイスプロセスの最適化がAlGaN層のないGaNテンプレート上のナノコラムを用いて進められている。電流電圧特性や発光特性において発光ダイオードとしての動作が確認されており，不日デバイスプロセスが確定し次第，AlGaN DBR上ナノコラムのデバイス化に取りかかる予定である。
周期配列ナノコラムのフォトニック結晶としての特性は光励起発光測定によって評価され，レーザー発振の実証と，AlGaN層導入による特性の安定化が確認された。自然放出光の角度分解測定によってフォトニックバンドが実測され，バンド端波長がレーザー発振波長に対応していることが確認された。しかしながら，理論計算により導出されるフォトニックバンドとの対応がとれていない。これについては計算モデルを実際の構造に近づけていくことによってフィッティングが可能であり，これによって実際のデバイスに適用できる設計手法が初めて確立すると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
AlGaN上ナノコラムの電流注入デバイスを実際に作製し，プロセスの過程で問題点を抽出したい。本デバイスにおいては垂直方向の共振モードと面内方向のフォトニック結晶のバンド端波長を整合させることが，デバイスが動作するための重要なポイントになると考えている。そのために，光学評価を行いながら垂直方向の共振長を調整する工程をデバイス化の最後に実施する必要があると考えられ，この工程の制御性や悪影響の有無について実験的に検討したい。
フォトニックバンドの理論計算と測定結果の相違が現在課題となっている。理論計算におけるなんらかの近似が原因になっていると考えられ，計算モデルを実際の構造に近づけていくことでフィッティングが可能と考えられる。その上で最適な構造の設計を進め，デバイスの作製にフィードバックしたい。
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| Causes of Carryover |
基礎検討を終え，これから電流注入デバイスの作製となり研究が加速していくに際して，必要な測定も多くなり，また成果発表の機会も増えるものと予想されるため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
光学測定機器の購入に用いたい。
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