有機金属気相選択成長によるフォトニック結晶の作製とデバイス応用に関する研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15206030
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 本久 順一 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 助教授 (60212263)
• 研究分担者: プリミーラ モハン 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 研究機関研究員 ; 佐野 栄一 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 教授 (10333650) ; 福井 孝志 北海道大学, 量子集積エレクトロニクス研究センター, 教授 (30240641) ; 佐藤 威友 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助手 (50343009)
• キーワード: フォトニック結晶 / 有機金属気相成長 / 選択成長 / フォトルミネセンス / 光取り出し効率

研究概要

平成15年度は、有機金属気相成長(MOVPE)選択成長法によりフォトニック結晶(PC)を作製する手法を確立し、またそのPCの特性を評価するため、以下のような研究を行った。
まず、GaAs(111)B基板に対して、6角形あるいは円形の開口を有するマスク基板を作製し、その後、GaAsおよびAlGaAsの選択成長を行うことによって、6角柱によるの2次元フォトニック結晶の作製を試みた。成長条件およびマスクパターンを最適化することにより、アスペクト比が6を超える、6角柱の周期配列による、均一度の高いフォトニック結晶の作製に成功した。また、6角柱の頂上部に量子井戸を成長し、作製されたPCをフォトルミネセンスにより評価した。室温において、プレーナ基板上よりも強度が10倍程度強い、量子井戸からの発光を確認することができた。そして、発光強度のPC周期および6角柱サイズ依存性が、フォトニックバンドによる光取り出し効率の変化によるものとして、定性的に説明できることがわかった。
次に、InP基板上に、6角柱アレイあるいは空孔アレイによる、InP系PCの作製を試みた。まず、(111)A面基板上に、InP6角柱アレイの成長を試みた。結晶成長条件の最適化により、垂直な{110}面ファセットを側壁に有する、良好なInPの6角柱構造によるPCの作製に成功した。一方、スラブ構造およびヘテロ構造を有するPCを作製するため、InP/InGaAs/InPヘテロ構造の成長を行ったところ、InGaAsがInPの6角柱側面の{110}ファセットに成長にしやすいことが明らかとなった。すなわち、ヘテロ構造を有する均一な6角柱アレイを得るためには、成長条件の最適化が必要である。また(111)B InP基板上に、6角エアホール構造アレイによるInGaAs PCの形成を試みた。現在までに、ある程度均一な6角エアホール構造アレイが形成可能であることが確かめられた。今後、横方向成長を抑制しつつ、表面平坦性の良い構造を得るために、2段階成長を含め、さらなる成長条件の最適化が必要であることが明らかとなった。

研究成果

• [文献書誌] Premila Mohan: "Fabrication of semiconductor Kagome lattice structure by selective area metalorganic vapor phase epitaxy"Applied Physics Letters. 83・4. 689-691 (2003)
• [文献書誌] Fumito Nakajima: "Single-electron AND/NAND logic circuits based on a self-organized dot network"Applied Physics Letters. 83・13. 2680-2682 (2003)
• [文献書誌] Masashi Akabori: "InGaAs nano-pillar array formation on partially masked InP(111)B by selective area metal-organic vapour phase epitaxial growth for two-dimensional photonic crystal application"Nanotechnology. 14・10. 1071-1074 (2003)
• [文献書誌] Masaru Inari: "Selective area MOVPE growth of InP and InGaAs pillar structures for InP-based two-dimensional photonic crystals"Physica E. (to be published). (2004)
• [文献書誌] Junichi Motohisa: "Growth of GaAs/AlGaAs hexiagonal pillars on GaAs (111)B surfaces by selective-area MOVPE"Physica E. (to be published). (2004)
• [文献書誌] Junichi Motohisa: "Growth and optical properties of 2D photonic crystals based on hexagonal GaAs/AlGaAs pillar arrays by selective-area metalorganic vapor phase epitaxy"Proc.2003 MRS Fall Meetings. (to be published). (2004)