2016 Fiscal Year Annual Research Report
量子井戸・メタ表面の融合による低毒性中赤外検出器の開発
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15H02011
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
宮崎 英樹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, グループリーダー (10262114)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
川津 琢也 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主任研究員 (00444076)
間野 高明 国立研究開発法人物質・材料研究機構, 機能性材料研究拠点, 主幹研究員 (60391215)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | マイクロ・ナノデバイス / メタマテリアル / メタ表面 / 量子井戸 / 中赤外光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目標は、極薄エピ層移植技術を確立してIII-V族半導体多重量子井戸（MQW）をAu基板・Auストライプから成るメタ表面に挟み込み、高感度・低雑音で高温動作可能な中赤外検出器を実現することである。有害なHg、Cdに依存したMCT検出器に代わる低毒性中赤外検出器として、量子井戸のサブバンド間遷移を利用する量子井戸赤外検出器（QWIP）が有望とされてきた。しかし、遷移の選択則という強い原理的制約により、十分な感度は実現されていない。本研究では、メタ表面の電場回転・電場増強機能により、入射光を完全に吸収して電流に変換し、10μm帯にて、従来のMCT検出器に匹敵する量子効率50%、検出能5×10＾10cmHz＾1/2/Wをわずか数層の量子井戸で実現することを目指している。
平成28年度の第一の課題は、メタ表面の素材となる量子井戸のエピ層状態での感度、および、それを別の基板に移植して作製したメタ表面状態での感度の測定手法を確立させることであった。まず、液体窒素温度でのIV特性や感度スペクトルの測定が可能な測定系を構築した。また、ブリュースター角入射による移植前のエピ層自体の感度測定手法を確立した。
第二の課題は、量子井戸自体の吸収スペクトルの帯域を拡大することであった。量子井戸の吸収は基底状態から励起状態へのサブバンド間遷移で起こるが、励起状態をバリア層のエネルギーより高い位置に設定するBound-to-continuum型の量子井戸設計により、連続状態へ励起し、感度帯域をこれまでよりも拡げることができた。
第三の課題は、低ノイズ化であった。これも量子井戸自体の設計に関わる問題である。初年度に完成した量子井戸構造の設計プログラムを駆使して、バイアス不要で、バイアスに伴う暗電流がないためにノイズが小さいことが知られている光起電力型QWIPを設計することを試みた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
同一機関に所属する研究分担者との有機的な協力体制が極めて有効に機能し、順調に進展していると判断している。また、初年度に確立した個々の技術を利用することにより、本年度の個々の課題を強力に推進することができた。特に極薄エピ層移植技術が確立したことに伴い、多数のメタ表面を作製し、実際に特性を調べることができた。ただし、歩留まりが必ずしも高くなく、欠陥のある素子が多く、改善の余地は多い。また、低ノイズ量子井戸構造として、これまでに報告のない新しい構造を発見したが、その原理の把握や設計指針の確立に時間を要し、予定していた外注加工による大規模基板接合実験に供出する試料の作製が遅延し、外注加工費を次年度に繰り越す事態が発生した。
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| Strategy for Future Research Activity |
試作を進める上で、移植時のコンタクト層が高抵抗化する問題が顕在化し、設計通りの特性をメタ表面化後にも維持することが困難なことがわかってきている。まずはこの点について基礎に立ち返り、基盤技術を確立することが重要である。また、量子井戸の設計が進んできたことを受けて、今後はメタ表面側の設計の確立・多様化が課題になる。これまでは単なるストライプ型の共振器であったが、そのため、単一波長、単一偏光にしか感度を持たせることができなかった。今後はメタ表面構造の改良による高性能化や、さらには多画素化の可能性の追求なども進めたい。
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Research Products
(5 results)
