多光子励起過程を用いた青紫色半導体レーザー材料の内部格子欠陥の3次元観察

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14655024
• Research Institution: Shizuoka University
• Principal Investigator: 川田 善正 静岡大学, 工学部, 助教授 (70221900)
• Keywords: 光学顕微鏡 / 多光子励起過程 / 2光子吸収 / ワイドギャップ半導体材料 / レーザー走査顕微鏡 / フォトルミネッセンス / 格子欠陥 / フォトニック結晶

Research Abstract

本研究では、多光子励起過程を用いて、ワイドギャップ半導体材料内部の欠陥を観察する手法を開発した。GaN, ZnSeに代表される大きなバンドギャップを持つ半導体材料は、青紫色半導体レーザーの材料としての応用が期待されており、既にGaN材料を用いたLED, LDが実用化されている。青紫色半導体レーザーにおいて、高出力、長寿命、高い出力安定性を実現するためには、欠陥の少ない良質の不可欠であり、結晶内部の欠陥を非破壊で観察可能な手法を開発する必要がある。
本研究では、多光子励起過程を用いて、半導体材料内部の欠陥構造を非破壊に観察する手法を開発した。一般に、半導体材料は、バンドギャップを越えるエネルギーを持つ格子をすべて吸収するため、フォトルミネッセンスの励起光に対して大きな吸収を持つ。このため、結晶内部まで、光が届かず、結晶表面のみの構造しか観察することできなかった。本手法では、フォトルミネッセンスの励起に多光子過程を利用するため、吸収の少ない近赤外光を使用でき、結晶内部まで励起光を伝搬させることができる。集光スポットを3次声的に走査することによって、内部欠陥の3次元構造を可視化することが可能である。
光源にフェムト秒レーザーを使用した多光子励起顕微鏡システムを構築し、ZnSe結晶の内部欠陥を観察した。発生したフォトルミネッセンスの分光スペクトルを測定し、半導体材料内のバンドギャップ療造を明らかにした。また、観察に使用すレーザー光強度を大きくすることによって、結晶内部に欠陥を誘起できることを発見し、フォトニック結晶へ応用を検討した。

Research Products

• [Publications] M.Nakano, Y.Kawata: "Compact Confocal Readout System for Three-Dimensional Memories using a Laser-Feedback Semiconductor Laser"Opt.Lett.. 28. 1356-1358 (2003)
• [Publications] W.Inami, et al.: "Photon Froce Analysis for a Spherical Particle near a Substrate Illuminated by a Tightly Focused Laser Beam"J.Appl.Phys.. 94. 2183-2187 (2003)
• [Publications] 川田善正: "多光子顕微鏡による半導体材料の内部欠陥の3次元観察"レーザー研究. 31. 380-383 (2003)
• [Publications] Y.Kawata, et al.: "The Use of Capillary Force for Fabricating Probe Tips for Scattering-Type NSOMs"Appl.Phys.Lett.. 82. 1598-1600 (2003)
• [Publications] N.Kobayashi, et al.: "Optical Storage Media with Dye-Doped Minute Spheres on Polymer Films"Opt.Rev.. 10. 262-266 (2003)
• [Publications] N.Takahashi, et al.: "Optical Response of Tin Nitride Thin Films Prepared by Halide Chemical Vapor Deposition under Atmospheric Pressure"J.Electronic Materials. 32. 268-270 (2003)
• [Publications] 川田 善正: "次世代光記録技術と材料"シーエムシー出版. 277 (2004)