光波長領域にバンドギャップをもつ半導体3次元フォトニック結晶の開発

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10210205
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 野田 進 京都大学, 工学研究科, 助教授 (10208358)
• 研究分担者: 王 学論 京都大学, 電子技術総合研究所, 研究員
• キーワード: フォトニクス結晶 / 3次元フォトニクス結晶 / 半導体 / フォトニクスバンドギャップ / 光半導体 / 半導体レーザ / 光回路

研究概要

本計画研究では、独自のマイクロマシーン技術を用いて光波長域にバンドギャップをもつ半導体3次元フォトニクス結晶を開発することを第一の目的とし、併せて、開発した結晶に発光体を埋め込むことで、輻射場の制御の様子を系統的に調べることを目的としている。本年度の計画は、(1)これまでに開発してきた赤外域(5〜10μm)にバンドギャップをもつ1周期(4層)の3次元フォトニクス結晶に対し、様々な角度から光を入射し、この波長域に対し、完全なバンドギャップをもつことを示すこと、(2)続いて2周期(8層)からなるフォトニクス結晶を実現し、周期数の増加がどのような効果をもたらすかを明らかにすること、(3)上記の結果をもとに、バンドギャップ波長の短波長化を行い、近赤外域(1〜3μm)にバンドギャップをもつ一周期の3次元フォトニクス結晶を開発すること、を目的に研究を進めた。本年度は予定通りに研究が進み、以下のような成果を得た。(I)赤外域1周期結晶に対し、[001]方向から[110]方向に向けて様々な入射角度において、透過スペクトルを測定したところ、どの入射方向に対しても5〜10μm域において10dB以上の減衰を明確に観測し、全方向にバンドギャップが開いていることを示した。(II)2周期のフォトニクス結晶を開発した。透過スペクトル特性の測定から、赤外域で30dBを越える減衰の観測に成功した。この30dBの値は、反射率にして99.9%に相当し、キャビティ構成に十分であることを示した。(III)近赤外域(1〜3μm)にバンドギャップをもつ結晶の開発を行った。材料系は、この波長域に重要なInPに変更し、小型化、材料の変化に対する課題を解決することにより、4層の結晶の作製に成功した。さらに、併せて、本研究の3次元結晶開発の重要な手法であるウエハ融着法により、発光体をフォトニクス結晶中に埋め込むことの可能性を探るため、2次元フォトニクス結晶構造と発光体の一体化を試み、2次元フォトニクス結晶の特性を反映した新規な2次元半導体発光デバイスの開発にも成功した。以上の研究成果は、新聞発表(日刊工業新聞)、電子情報通信学会誌ニュース、Physics Today、日経エレクトロニクス等で取り上げられた。また、米国で行われたフォトニクス結晶に関する専門家会議WECS′99で報告(招待)し、非常に注目を集めた。国内では、少なくとも4回の招待講演を行った。

研究成果

• [文献書誌] S.Noda: "100nm Scale alignment using Laser Beam Diffraction Pattern Observation Technique and Wafer Fusion for Realizing Three-Dimensional Photonic Crystal Structure" Jpn.J.Appl.Phys.37. 3334-3338 (1998)
• [文献書誌] S.Noda: "Development of One Period of Three-Dimensional Photonic Crystal in 5-10μm Wavelength Region by Wafer Fusion and Laser Beam Diffraction Pattern Observation Technique" Jpn.J.Appl.Phys.37. L1052-L1054 (1998)
• [文献書誌] S.Noda: "Fabrication and Optical Properties of One Period of Three Dimensional Photonic Crystal Operating at 5〜10μm Wavelength Regron" Jpn.J.Appl.Phys.38. 1282-1285 (1999)
• [文献書誌] S.Noda: "Characterization of InP Air/Semiconductor Gratings Formed by Mass-Transport Assisted Wafer Fusion Technique and Its Application to Distributed Feedback Laser" Jpn.J.Appl.Phys.37. 1400-1404 (1998)
• [文献書誌] S.Noda: "Characterization of DFB Laser with Air/Semiconductor Gratings Embedded by Wafer Fusion Technique" IEEE J.Quantum Electronics. (in press). (1999)
• [文献書誌] S.Noda: "Alignment and Stacking of Semiconductor Photonic Bond Gaps by Wafer Fusion" Digest of Workshop on Electromagnetic Crystal Structure,Design,Synthesis,and Application(WECS). (invited paper). 30 (1999)