研究課題
本課題は新機軸両面金属導波路構造の作製技術を構築することで、窒化物半導体を用いたテラヘルツ量子カスケードレーザの動作温度の高温化を実現することを目的とした。窒化物半導体における両面金属導波路構造の作製にあたって、レーザリフトオフ工法による均一大面積での基板剥離を可能にするために、剥離界面を凸凹加工後、極薄GaNアブレーション層を挿入したMOCVD法横方向成長構造を提案した。初年度は、レーザリフトオフ工程に先立って必要なサンプル基板とレセプタ基板(GaAs)の良好なメタルボンディング条件の探索を行った。加圧力が120kg/cm2では基板にクラックが入ることが分かった。加熱温度240℃以上では金属が変色しシート抵抗が上昇することが分かった。最適なメタルボンディング条件は加熱温度200℃、加圧力100kg/cm2、時間40分であることが分かった。最終年度は、大面積レーザリフトオフを実施するという計画を変更し、最初にテラヘルツ量子カスケードレーザの材料として基本となるGaAs系半導体を用いてその高温動作化を試みた。可変型障壁層と電子引抜層を量子カスケード構造に組み込むことで、145Kまでの高温動作化に成功した。また、その素子を用いてピーク出力~3mW、平均出力6μW、液体窒素温度77Kで動作するデュワー型テラヘルツ量子カスケードレーザ光源の開発に成功した。以上の量子構造の工夫や実用的な装置のモノづくりはGaN系材料においても応用できるため、非常に重要な知見が得られた。次にテラヘルツ量子両面金属導波路構造をもつGaN系量子カスケードレーザの光利得計算を行った。非平衡グリーン関数法に基づく第一原理計算の結果、両面金属導波路構造を用いることによって、光損失を24cm-1程度に抑えることができ、6.6THz発振構造において280Kでも光利得を得ることができることを明らかにした。
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