ナノ構造形成ナノ光電子物性量子情報デバイスナノ光電子デバイスIoTフォトニクス
ナノ構造の形成技術の開拓
電子や光子を個々に制御するナノシステムの創成を目標にし、MOCVDやMBEなどの結晶成長技術や電子線描画技術を用いて、量子ドットやフォトニック結晶などナノ構造の形成技術を開拓しています。最近では、光通信および量子情報向けの砒化インジウム系および窒化物系量子ドットやナノワイヤの形成に取り組んでおり、いずれも世界最高品質を誇っています。また、3次元フォトニック結晶の作製技術開発にも取り組んでおり、3次元フォトニック結晶ナノ共振器における世界最高Q値を達成するとともに、レーザ発振を初めて実現しました。また光のスピン角運動量制御を可能にする3次元キラルフォトニック結晶の作製にも成功しています。

InAs/GaAs系量子ドット形成技術の開発
InAs/GaAs系量子ドット結晶成長技術は、次世代型高性能デバイス(光通信用レーザ、ナノレーザ、単一光子発生器、太陽電池、赤外線検出器など)のコア技術の一つである。MBEまたMOCVD法を用い、各デバイス用途に最適な量子ドット結晶の実現を目指している。光通信用レーザ向けには高密度化と高サイズ均一化を、量子情報応用向けには超低密度化と単一ドットスペクトルの狭線幅化を図ってきた。最近では、フォトニック結晶ナノ共振器との高効率結合を可能にする量子ドット位置特定技術、ナノワイヤ量子ドットの多重積層化・高サイズ均一化・小型化技術、P系歪補償材料を用いた超多重積層化技術、シリコンフォトニクスに向けた量子ドットのシリコン基板上直接成長技術の開発を進めている。(一部シャープ、NEC、QDレーザ、富士通研との共同研究)

(左)埋め込まれた低密度量子ドット(隆起の下に存在)
(右)GaAs基板上InGaAs/GaAsナノワイヤ積層量子ドット


【主要発表文献】
[1] M. Kakuda, et al., ISPEC 2015, P-56, Tokyo, Japan.
[2] J. Tatebayashi, et al., Appl. Phys. Lett. 105, 103104 (2014).
[3] 渡邉他、第76回応用物理学会秋季学術講演会、14p-2W-5 (2015).

GaN系ナノ構造形成技術の開発
我々は、GaN系窒化物半導体の未踏の可能性、特に室温単一光子源をはじめとする量子情報素子などへの応用に着目して研究を進めている。この系の光電子物性を探索し革新的な量子デバイスへの応用を図るためには、各種量子ドット(QD)、量子井戸、フォトニック結晶(PhC)などの高品質窒化物半導体ナノ構造の形成技術確立が必須である。これまでに、MOCVD法による高品質位置制御GaN ナノワイヤQDの形成、独自開発の高性能ナノ加工技術を用いた世界最高水準のQ値を有するGaN系PhCナノ共振器の実現などの成果を上げてきた。最近は、極めて狭い発光線幅(87±4 μeV)を示すGaN/AlGaN界面ゆらぎQDの形成、GaN選択的熱分解法の開発と高品質AlGaN/air DBR垂直微小共振器の作製、中赤外サブバンド間吸収を示す無極性m面GaN/AlGaN量子井戸のMOCVDによる作製などにも成功している。(一部シャープとの共同研究)

(左)単一GaN界面ゆらぎQDのPLと構造概略図
(右上)Al(Ga)N一次元 PhCのSEM像とPL
(右下)AlGaN/air DBR垂直微小共振器のPLとSEM像

【主要発表文献】
[1] M. Arita, et al., ISCS 2014, Tu-A2-6, Montpellier, France (2014).
[2] R. Tao, et al., Appl. Phys. Lett. 103, 201118 (2013).
[3] T. Kotani, et al., Appl. Phys. Lett. 108, 052102 (2016).

フォトニック結晶ナノ共振器形成技術の開発
フォトニック結晶ナノ共振器は、フォトニックバンドギャップ効果による強い光閉じ込めにより、超小型光回路やナノレーザ等への応用が期待されている。我々はナノ構造作製技術の開発を行い、二次元および三次元的にフォトニックバンドギャップを有する高品質なフォトニック結晶ナノ共振器の実現とその応用研究を進めている。二次元フォトニック結晶ナノ共振器では、超低閾値ナノ共振器レーザの実現ならびに非線形高調波発生を利用した自己波長変換型可視域レーザを実現している。これは、高密度集積可能な可視域ナノレーザの実現において重要な進展と位置づけられる。三次元フォトニック結晶ナノ共振器では、マイクロマニピュレーション法により高Q値化(~ 66,000)の達成している他、量子ドットを利得とする三次元フォトニック結晶ナノ共振器レーザを世界で初めて実現している。

(左) 量子ドットを組み込んだ二次元フォトニック結晶ナノ共振器
(右)三次元フォトニック結晶ナノ共振器のSEM像

【主要発表文献】
[1] M. Nomura, et al., Opt. Express 17, 15975 (2009).
[2] A. Tandaechanurat, et al., Nature Photonics 5, 91 (2011).
[3] 高橋他、第62回応用物理学会春季学術講演会、12p-A10-15 (2015).