| 研究課題/領域番号 |
21K14544
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分30010:結晶工学関連
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| 研究機関 | 東北大学 |
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研究代表者 |
嶋 紘平 東北大学, 多元物質科学研究所, 助教 (40805173)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 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 |
4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円)
2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2021年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
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| キーワード | 酸化亜鉛 / 励起子 / 励起子ポラリトン / ZnO / Polariton laser / ポラリトンレーザ |
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| 研究開始時の研究の概要 |
励起子束縛エネルギーが59 meVと半導体中で最大級であるZnOを用いた紫外ポラリトンレーザは、(Al,Ga)N系の紫外半導体レーザとは異なる動作原理に基づく超低閾値コヒーレント光源として期待されている。しかし、室温における巨大なラビ分裂量（理論値：191 meV）の計測および電流注入によるポラリトンレーザ発振が未だ達成されていない。本研究では、欠陥および不純物が少ないバルクZnO単結晶を出発材料とするトップダウンプロセスを採用し高品位なZnO微小共振器を作製する。その上で、(1)光励起による室温での巨大ラビ分裂量の計測、および(2)電流注入による室温でのポラリトンレーザ発振を目指す。
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| 研究実績の概要 |
①水熱合成バルク酸化亜鉛単結晶を機械的にないしは化学的にエッチングして薄膜化し、光の波長程度の厚さの酸化亜鉛活性層を形成する方法を発展させた。化学機械研磨ないしは反応性イオンエッチングにより酸化亜鉛の表面近傍に導入され、励起子寿命を悪化させる要因となる構造欠陥ないしは空孔型欠陥等を、X線光電子分光、X線回折、時間分解フォトルミネッセンス法等により定量し、それらの導入を最小限に抑えるプロセス条件を見出した。本成果は、国際学会（International Workshop on UV Materials and Devices）、国内学会（応用物理学会）、査読付き学術論文（査読中）により成果を発表した。
②光励起型の酸化亜鉛微小共振器を作製し、角度分解反射測定により共振器ポラリトンの上枝・下枝のエネルギー分散を測定した。構造の不完全性により一部の観測角度におけるエネルギー計測には至っていないが、共振器ポラリトンの安定性指標であるラビ分裂量は、これまで報告されている実験値の最大値（130 meV）よりも数十 meV高いことを確認した。ポラリトンレーザの室温動作に直結する重要な成果であると考えられる。
③反応性ヘリコン波励起プラズマスパッタ法によりp型酸化ニッケル薄膜を堆積し、堆積温度、酸素混合率等が酸化ニッケル薄膜の電気特性、結晶配向、光透過率などに与える影響を詳細に評価した。低い比抵抗と高い近紫外線透過率を両立させるp型酸化ニッケル薄膜の堆積条件を見出した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
共振器ポラリトンのボーズ凝縮の観測には至っていないため。共振器ポラリトンの励起密度を高めるための計測装置の立ち上げに時間を要している。一因として、2022年3月16日に発生した福島県沖地震（震度6強、M7.4）により、本研究に関わる実験設備が甚大な被害を受け、復旧に時間を要したことが挙げられる。
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| 今後の研究の推進方策 |
①光励起型の酸化亜鉛微小共振器において、角度分解反射測定により上枝および下枝ポラリトンのエネルギー分散の計測を行う。共振器ポラリトンの安定性指標であるラビ分裂量は、これまで報告されている実験値の最大値が130 meVであるため、本研究では理論値の191 meVに近いラビ分裂量を計測できるよう微小共振器のチューニングを行う。また、光励起密度を高めた場合の、共振器ポラリトンのボーズ・アインシュタイン凝縮とコヒーレント光発振を目指す。デバイス表面に分布ブラッグ反射鏡が存在するため光励起により強励起することが難しい場合は、電子線などを使って強励起を試みる。
②電流注入型の酸化亜鉛微小共振器において、p型酸化ニッケル層をチューニングしエレクトロルミネッセンスおよび共振器ポラリトン観測を目指す。p型NiO層の導電性と透明性はそれぞれ酸化亜鉛活性層への正孔の注入効率と発光の取り出し効率に関わるが、トレードオフの関係であるため製膜条件のチューニングを慎重に行う。最終的に、電流注入による酸化亜鉛ポラリトンレーザのコヒーレント光発振を世界で初めて達成したい。
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