| 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, 開拓研究本部, 主任研究員 (70270593)
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| 研究分担者 |
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ー / 窒化物半導体 / バンド内遷位 / 超格子 / テラヘルツ |
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| 研究実績の概要 |
現在開発されているテラヘルツ量子カスケードレーザ(THz-QCL)は、5～12 THzの周波数の動作は不可能であり、室温動作も不可能であるなど、その動作範囲は大幅に制限されている。本研究では、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。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、また革新的量子構造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30年度では、GaN系QCLの構造設計について詳細な検討を行った。前年に引き続き、非平衡グリーン関数法を用いたGaN/AlGaN系THz-QCLの光利得の解析を行い、6-12THz帯において室温で発振するのに十分な光利得が得られることを明らかにした。また、サファイア基板などのGaN用基板はテラヘルツ光の吸収があってレーザーの共振器作製にふさわしくないことが明らかになったため、GaN系両面金属（DMW）導波路QCLの作製を開始した。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構造を作製した。Si基板上に形成したGaN系THz-QCL構造を用い、基板張り合わせ、ならびに、Si基板リフトオフプロセスを用いて、両面金属導波路構造の作製を行い、電流-電圧特性の評価を行った。
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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
平成30年度では、GaN系QCLの構造設計について詳細な検討を行った。前年に引き続き、非平衡グリーン関数法を用いたGaN系QCLの光利得の解析を行い、8THz帯において室温で発振するのに十分な光利得が得られることを明らかにした。考えうる電子散乱過程(電子・電子散乱、電子LOフォノン散乱、不純物散乱等)をすべて取り込むことで、信頼性の高い窒化物QCLからの光利得解析を可能にした。得られた室温光利得に関する結果は、科学雑誌APLに採択された。GaN系両面金属（DMW）導波路型THz-QCLの実現を目的として、Si/AlGaN基板上にMBE法を用いて、クラックの無い200周期以上のGaN/AlGaN QC構造を作製した。本年度は、両面金属導波路を用いて確実なレーザー発振を狙い、Si基板リフトオフプロセスを用いた両面金属導波路構造の作製プロセスの開拓を行った。2度の基板張り合わせ行程とドライエッチング、ならびに、Siリフトオフ行程を経て、両面金属型GaN系QCL構造の作製を行い、劈開によるミラー形成も行った。未だレーザー発振には至らないものの、電流-電圧特性の評価には成功した。
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究では、AlGaN/GaN系未開拓波長QCLの設計と低閾値・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の実現を研究の指針とし未開拓のGaN系QCLを開拓する。
H31年度では、昨年までに引き続き、GaN系QCLのレーザ発振の確証を得る研究を行う。そのため、理論検討と実験結果を比較しながらQCLの発振動作を確認する研究を優先して進める方針とし、加えて、構造最適化による高性能化を進める。
非平衡グリーン関数法（NEGF法）を用いた、GaN/AlGaN系THz-QCLの光利得のシミュレーション解析を引き続き行う。光利得の周波数依存性と動作温度依存性について解析を進め、高い光利得が得られるQCL構造を求める。
Si基板を用いた両面金属導波路型（DMW）GaN系QCLの実現を引き続き試みる。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を行う。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を作製し、発振動作を試みる。
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