2016 Fiscal Year Annual Research Report
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16H04351
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| Research Institution | The University of Tokushima |
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Principal Investigator |
北田 貴弘 徳島大学, 大学院理工学研究部(連携), 特任教授 (90283738)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
盧 翔孟 徳島大学, 大学院理工学研究部(連携), 特任助教 (80708800)
南 康夫 徳島大学, 大学院理工学研究部(連携), 特任准教授 (60578368)
森田 健 千葉大学, 大学院工学研究科, 准教授 (30448344)
熊谷 直人 国立研究開発法人産業技術総合研究所, 電子光技術研究部門, 主任研究員 (40732152)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 電子デバイス・機器 / テラヘルツ／赤外材料・素子 / 半導体非線形光学デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
特徴的な半導体多層膜結合共振器を用いることにより、赤外二波長レーザー発振と二次非線形光学効果による差周波発生を同一素子で行うことでテラヘルツ波を得る"テラヘルツLED"の実現を目的としている。電流注入で室温動作する素子の実現を目指して以下の内容に取り組んだ。
まず、すでに試作済みであったエピタキシャル成長のみで形成した結合共振器薄膜による赤外二波長面発光レーザー素子の詳細な発光特性の評価を実施した。室温での二波長レーザー発振スペクトルの詳細な注入電流依存性を明らかにするとともに、時間的コヒーレンスに優れるテラヘルツ波光源と成り得ることを示した。
テラヘルツ波発生が可能となる素子を、(001)および(113)Bエピウエハの直接接合による結合共振器薄膜を用いて試作した。(001)側の共振器層には、波長920 nm近傍で発光する2種類の量子井戸を発光媒質として導入し、差周波発生の役割を担う(113)B側の共振器層はGaAsで構成した。試作した素子は、室温でレーザー発振するが、共振器モード波長と量子井戸の発光ピーク波長にずれが生じていたために長波長側のモードのみで発振していた。素子を190 K程度に冷却してモード波長と量子井戸波長の関係を調節すると二波長発振可能であることがわかった。また、二波長レーザー光の偏光特性を評価し、GaAsの二次非線形性で生じるテラヘルツ波の偏波特性の予測も行った。
素子からのテラヘルツ波発生特性を評価するためのフーリエ赤外分光装置とGe光伝導検出器による計測系を整備した。ステップスキャンによるロックイン検出ができるよう機器を整備するとともに、素子から生じる二波長レーザー光とテラヘルツ波を同時に検出できる光学系の構築を行った。また、低温成長光伝導アンテナのゲート光として二波長レーザー光の強度ビートを用いるテラヘルツ波計測手法についても検討した。
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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
２つのエピウエハの直接接合で作製した半導体多層膜結合共振器への電流注入による赤外二波長レーザー発振は、テラヘルツLED素子を実現する上で極めて重要な要素技術である。試作した素子は、室温でレーザー発振することが確認され、また、モード波長と量子井戸波長の関係を精密に調整することで二波長発振可能であることが見出された。特に、素子温度と注入電流値の２つで二波長レーザー光の強度比が制御できるという結果は、実際の素子を駆動する上で重要な知見である。電流狭窄プロセスや素子の放熱対策に課題は抱えるものの、結合共振器薄膜の形成、電流注入のための素子プロセスといった作製の基盤技術はほぼ整ったと考えている。また、テラヘルツ波計測についても、当初から予定していた赤外フーリエ分光器とGe光伝導検出器による測定系の整備が順調に進むとともに、低温成長InGaAs多重量子井戸による光伝導アンテナ素子による新たな計測手法の目途を立てることもできた。上述の実績を踏まえて本研究はおおむね順調に進展していると考える。
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に試作した結果をもとに、テラヘルツLED素子に適した半導体多層膜結合共振器薄膜の設計と作製を行う。波長920 nm近傍に2つの共振器モードが現れ、その周波数差は2-3 THzとなるようにする。(001)と(113)B GaAs基板への分子線エピタキシー成長とウエハの直接接合で結合共振器薄膜を作製する。モード波長と量子井戸の発光波長の関係は極めて重要であるため、エピ成長時の膜厚制御を可能な限り精密にして両者の関係を適切なものにする。接合には表面活性常温ウエハ接合法を用いる。機械研磨と選択エッチングにより(001)基板を完全に除去し、ウエットエッチングによるメサ加工、電流狭窄のための選択酸化、リフトオフによる電極形成といった素子プロセスを施すことで素子を試作し、電流注入によるレーザー発振特性を評価する。室温で安定に動作する素子を得るには、精度よく制御した電流狭窄構造と放熱対策が重要である。メサ加工と選択酸化のプロセス工程を見直すことで再現性よく電流狭窄構造が得られれるよう注力するとともに、プロセスを施した素子のGaAs基板を薄片化することで高注入電流時の素子温度の上昇を防ぐ。上述の技術を確立して、室温で赤外二波長レーザー発振する素子を実現させる。試作した素子について、前年度に整備した赤外フーリエ分光器とGe光伝導検出器によりテラヘルツ波の分光計測を試みる。まずは、素子をパルス電流で駆動し、ロックイン検出による高感度測定を実施する。また、低温成長光伝導アンテナ素子による検出系を整備し、試作するテラヘルツLED素子から生じるテラヘルツ波の分光計測を試みる。テラヘルツ波発生特性の注入電流依存性と二波長レーザー発振特性を照らし合わせることで単一素子の特性を明らかにするとともに、高強度化を実現する二次元集積に向けたアレイ構造の設計にも取り組む。
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