研究課題/領域番号 |
19K04514
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研究種目 |
基盤研究(C)
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配分区分 | 基金 |
応募区分 | 一般 |
審査区分 |
小区分21060:電子デバイスおよび電子機器関連
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研究機関 | 愛媛大学 |
研究代表者 |
下村 哲 愛媛大学, 理工学研究科(工学系), 教授 (30201560)
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研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2024-03-31
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研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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配分額 *注記 |
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2021年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2020年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2019年度: 2,340千円 (直接経費: 1,800千円、間接経費: 540千円)
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キーワード | ガリウムひ素ビスマス / 長波長帯面発光レーザ / 偏光安定化 / 量子井戸 / 光変調反射分光スペクトル / 基板温度制御 / サーモグラフィ / 温度急冷ステージの設計 / 基板ホルダー温度分布 / 基板ホルダー冷却速度 / GaAsBi/GaAs 量子井戸 / (221)B GaAs 基板 / GaAsBi / 半導体レーザ / 偏光異方性利得 / 光デバイス / 面発光レーザー |
研究開始時の研究の概要 |
本研究では、赤外線領域とくにO-bandと呼ばれる波長域(1260-1360 nm)の光を発する面発光レーザの作製を目指します。この波長域の光はプラスチックを透過し、この面発光レーザの作製に成功すれば肉眼では見えないプラスチック内の金属などの異物の3次元形状をプラスチックを取り去ることなく調べることができるようになります。面発光レーザの心臓部に用いるのは新半導体GaAsBiです。GaAsBiは、長波長発光材料として優れているだけでなく、異方的な利得スペクトルを持ちます。この特性を利用すれば面発光レーザの偏光を安定化することができ、精度の高い3次元形状計測が可能になると期待されています。
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研究実績の概要 |
2022年度 研究実績の概要 【①光学的品質と偏光特性を維持しつつBi組成の増加】裏面にAlを全面蒸着した2-インチGaAs基板の基板温度の測定を波長7.5-14 μmの赤外線を検出するサーモグラフィで熱画像を撮影して行った。裏面のヒーターの形状が全く観測されないことから, 厚さ0.5 μmのAl薄膜でヒーターの赤外線を遮断できることを確認した。融点156℃の金属を使って 放射率 e = 0.76、融点227℃の金属を使って放射率 e = 0.68、由展327℃の金属を使って放射率 e = 0.65を得た。GaAs基板の20 mm のスパンで基板温度が340℃から345℃の間に収まること、基板の端から5mmでは温度が320℃に下がることがわかった。一方、面内分布を分子線エピタキシー装置で観測する場合、像を望遠レンズで2倍に拡大すれば詳細な測定が可能になる。赤外線用望遠レンズを構成する焦点距離50 mm、直径40 mmの凸レンズの作製を完了した。 【②偏光が生じる機構の解明】ホトリフレクタンスとホトルミネッセンススペクトルを分光器1スキャンで両方同時に測定する装置の構築において、メカニカルなチョッパーを廃し、液晶シャッタによるタングステンランプ光のon/off 2f制御、レーザの冷気電流の外部制御による on/off 3f制御、 ホトリフレクタンススペクトルを5fシグナルで測定する電子制御を実現した。 【③光通信帯O-bandのGaAsBi/GaAs量子井戸面発光レーザの試作】面発光レーザの集光用の球面型マイクロレンズアレイの作製を引き続き行い、曲率半径108μmのレンズの作製に成功した。2021年度は曲率半径 526μmのレンズで、厚さ350μm 2インチのGaAs基板で作る面発光レーザには、まだ曲率半径が大き過ぎであった。今回この問題が解決可能であることが実証された。
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現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
理由 【①光学的品質と偏光特性を維持しつつBi組成の増加】2020年度、サーモグラフィの採用350℃域の基板温度測定法として採用し新たな進展をみた。2021年 度、基板ヒータの迷光の影響を見出した。2022年度、2-inch GaAs基板を用いて温度較正の実施、20 mm の領域で基板温度が340-345℃の範囲に入ることを実証した。分子線エピタキシー装置への実装が視野に入ってきった。再現性の高いBi組成濃度の増加法と高い結晶品質の両立が達成できそうである。当初の計画より十分に高い成果を上げつつある。 【②偏光が生じる機構の解明】2020年度ホトリフレクタンスとホトルミネッセンスの同時測定可能になった。2021年度、測定とノイズ除去の自動化で試料温度変化等の系統的な研究が可能になった。2022年度、メカニカルなチョッパーから電子制御でタングステンランプ光、レーザー光のon/offが可能になり、ノイズの大幅な低減にもメドがついた。電子構造についての解明が一段と進むと思われる。 【③光通信帯O-bandのGaAsBi/GaAs量子井戸面発光レーザの試作】プロセスの要素技術の確認段階であるが、最も重要な基板裏面の窓開け技術を確立(2020年度)に加え、光の取り出し効率の上昇と集光機能を加えた(2021年度)。曲率半径を108 μmまで縮小できるようになった。(2022年度)
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今後の研究の推進方策 |
【①光学的品質と偏光特性を維持しつつBi組成の増加】結晶装置への7.5~14 μm帯の赤外光を通す安全性の高い超高真空窓の実装が必要である。この窓は、望遠レンズの先端側の凸レンズ機能を持たせる。窓の破損対策を行い、実装する。誰でも安心して使える装備品とすることで、この分野に大きく貢献したい。 【②偏光が生じる機構の解明】振動ノイズの除去、チョッパーの電子制御の採用、工学系の改良による大幅ノイズ低減ができた。本格的にGaAsBi量子井戸の偏光依存性、基板方位依存性、測定温度依存性を調べ、偏光が生じるメカニズムを解明する。 【③光通信帯O-bandのGaAsBi/GaAs量子井戸面発光レーザの試作】面発光レーザ取り出し窓の均一性データを取得する。両面マスクアライナーを立ち上げ、両面 マスク位置合わせの検証をおこなう。ストライプレーザで検証をへて、面発光レーザの試作をおこなう。
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