| 研究課題/領域番号 |
15H05733
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| 研究機関 | 国立研究開発法人理化学研究所 |
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研究代表者 |
平山 秀樹 国立研究開発法人理化学研究所, 平山量子光素子研究室, 主任研究員 (70270593)
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| 研究分担者 |
寺嶋 亘 国立研究開発法人理化学研究所, 平山量子光素子研究室, 研究員 (30450406) [辞退]
鎌田 憲彦 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (50211173)
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| 研究期間 (年度) |
2015-05-29 – 2020-03-31
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| キーワード | 量子カスケードレーザ / 窒化物半導体 / 結晶成長 / 超格子 / テラヘルツ |
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| 研究実績の概要 |
量子カスケードレーザ(QCL)は、5～12 THz及び3μm以下の波長の動作は不可能であり、動作範囲も大幅に制限されている。本研究は、窒化物半導体を用いてQCLの動作範囲を大幅に拡大することを目的とする。窒化物半導体のLOフォノン吸収エネルギーはGaAsの約3倍と大きく、未踏周波数を含む3～20 THzの動作が可能となる。また、伝導帯のバンド不連続値は最大で1.9eVと極めて大きいため1～8μm帯のQCLが可能となり、QCLの動作範囲を飛躍的に拡大することができる。我々は、GaN系QCLの作製に着手し、世界で初めてのレーザ発振に成功した。本研究では、これまで培ってきた窒化物の高品質成長技術を進化させ、また「純粋3準位量子構造」と「間接注入機構」を融合させた革新的量子設計を取り入れることにより、未開拓領域を含む幅広い周波数範囲のQCLを実現することを目標とする。
平成29年度では、まず、THz-QCLの高温・高出力動作の基礎実験としてGaAs系のTHz-QCLにおいて、低キャリアリーク高出力型量子構造の提案をシミュレーション解析により行い、またその試作を行うことにより最高出力350mWの高出力動作を確認した。GaN系QCLの詳細な構造設計について詳細な検討を行った。現在用いているサファイア基板上シングルメタルGaN系QCL導波路構造は、サファイア上に窒化物バッファーを挿入することにより高い光閉じ込めと低い導波路ロスが得られることが分かった。また、非平衡グリーン関数法を用いたGaN系QCLの光利得の詳細検討を行い、8THz帯で、室温で発振するのに十分な光利得が得られることが明らかになった。また、GaN系両面金属（DMW）導波路QCLを目的とし、Si/AlGaN基板上にGaN/AlGaN QC構造を作製し、MBE法を用いてクラックの無い200周期以上のQC構造作製に成功した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
平成29年度では、まず、GaN系THz-QCLの基礎実験としてGaAs系高出力THz-QCLの作製を行い、GaAs系THz-QCLとしては最高レベル出力である350mWの動作を確認した。GaAs系QCLで低リーク型高出力構造を提案するなど、順調な成果を上げた。GaN系THz-QCLでは、確実な発振動作の実現を目的とし、適切なQCL導波路設計と窒化物QC構造からの利得解析を行った。のおる「し、それは同様にGaN系QCLにも適用できるため、本研究における重要な成果である。サファイア基板上シングルメタルGaN系QCL導波路構造は、サファイア上に窒化物バッファーを挿入することにより70％以上の高い光閉じ込め係数と低い導波路ロスが得られることが分かった。両面金属GaN系QCL導波路では、さらに低い導波路損失が得らえることが分かった。また、非平衡グリーン関数法を用いたGaN系QCLの光利得解析では、不確定性原理に基づくレベルブロードニングの効果を適切に取り入れることにより、初めて信頼性が得られる解析結果を得た。8THz帯で、室温で発振するのに十分な光利得が得られることが明らかになり、今後の設計の指針も得られた。GaN系DMW導波路QCL実現のため、Si/AlGaN基板上にGaN/AlGaN QC構造を作製し200周期以上のQC構造作製に成功するなど、QCL発振へ向け順調に研究を進めた。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究では、「純粋3準位量子構造」に基づく量子設計によるAlGaN/GaN系未開拓波長QCL設計と低閾値・高温動作の実現、MBE法に加えMOCVD法を用いたGaN/AlGaN多層QCL構造の高品質・高精度成長技術の開拓、片面及び両面金属導波路型QCL構造作製によるTHz帯QCLの実現と室温発振の実現、AlGaNクラッド層もしくは誘電体光閉じ込め層を有するQCL構造作製による中赤外QCLの実現とその高性能化、の４つの研究指針を進行させることにより、窒化物半導体・未開拓波長QCLを開拓していく計画である。
H30年度では、2量子井戸型GaN系QCLの設計において、発振準位から上部の準位へのリーク電流を低減する最適設計を行い、QCLの高温動作の指針を得る。高温動作型QCL設計に基づき、GaN系QCLの40K以上から室温に至る動作の実現を試みる。Si基板を用いた両面金属導波路型（DMW）GaN系QCLの実現を試みる。そのために、Si基板上の高品質AlN/AlGaNテンプレートの開発とその上に製膜する高品質GaN/AlGaN超格子層の結晶成長、ウェットケミカルエッチングによるSi基板リフトオフを行い、DMW型QCLを作製、発振動作を試みる。シングルメタル導波路型サファイア/GaN系QCLにおいて、導波路ロスを低減するための適切なバッファー層設計を行うことにより、1ｍW程度の高出力動作の実現を試みる。
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