松末・坂東研究室
研究室のゼミ合宿
•量子力学的な光物性
•超薄膜・超微細構造の作製
•光エレクトロニクスへの応用
•高性能光デバイスの実現
講師 松末俊夫助教 坂東弘之
D:1名M2:4名,M1:3名B4:4名
(半導体中)
電子
光
スピン運動
移動相互作用
電子や光は,エネルギーや情報を,担う
高密度,高速,高機能に利用したい
• 真空より固体(半導体)
• 電気より光
• 微細構造
「マイクロ」から「ナノ」に
量子力学的効果を利用する、操る
超高速通信・情報処理デバイスへ応用
半導体量子構造の光・電子・スピン物性の探索と応用- デバイスの高性能化と新しい動作原理
格子振動弾性波(フォノン)
3
ナノ構造で高性能光デバイスを実現する
•高周波振動(表面弾性波)による動的電子状態制御
を用いた新しいデバイス原理の探索
•電子のスピンを利用した新しい光・スピン機能の探索
•2光子吸収過程を利用した超高速光スイッチの試作
半導体ナノ構造
作る
設計する
測る
応用する
結晶成長(MBE)
微細加工(リソグラフィ,
エッチング)
構造解析(X線回折,電子顕微鏡)
光導波解析シミュレーション
レーザー分光
光吸収,発光
極低温
全光スイッチ
光導波路
量子ミクロ構造で 電子や光の性質を操る
•高速
•高感度
•新機能
通常の半導体
「自由」電子
A
V
x
m*e
量子ミクロ構造電子の波動性干渉効果
定在波
離散準位
B
V
x
m*e
A A
トンネル効果
A
V
xB B
m*e
屈折率の差 光子に対して量子効果
<10nm(数十原子層)~
作製
物性評価 デバイス応用
設計
分子線結晶成長(MBE)装置
ナノ構造をつくる(1)
原子を制御した結晶成長→ ナノ層構造
クリーンな環境で,原子層ずつ積み上げる
(真空中)
A
B
原子不純物(添加物)
結晶
B
RHEED
電子銃
ヒーター
基板10keV
シャッタ
(液体窒素シュラウド)
Be
スクリーン
Al Ga AsSi
材料蒸発源ルツボ(セル)
超高真空ポンプ 10-10― 10-11Torr 4重極質量分析器
(超高真空)
分子ビーム
RHEED
電子銃
ヒーター
基板10keV
シャッタ
(液体窒素シュラウド)
Be
スクリーン
Al Ga AsSi
材料蒸発源ルツボ(セル)
超高真空ポンプ 10-10― 10-11Torr 4重極質量分析器
(超高真空)
分子ビーム
ナノ構造をつくる(2)
高精度エッチング法で加工 → 多次元ナノ構造
現像
レジスト塗布(感光剤,スピンコート)
レジスト
露光(電子線描画)
プラズマ
ドライエッチング
電子線
半導体
完成(次の工程へ)
半導体
0.3-2μm
約1μm
0.1-100μm
(光が30μm進む時間)光パルス時間幅~100 fs
試料
ポンプ光
プローブ光
光路差を変えて,Δt を変える
光検出器時間差Δt
試料の状態を操作する
試料の状態の時間変化を測る
超高速光学特性の測定
超短パルスレーザによる光学測定: パルス幅~100 fs
超高速応答を計測できる
CR時定数の制限なし
RF励振表面弾性波(SAW)の利用
高周波(RF)電圧
櫛形電極 表面弾性波の伝搬
図b.結晶格子の歪みの様子 (断面図 )
表面弾性波の進行方向
図a.櫛形電極による弾性波の励振と検出
表面
半導体量子構造試料
原子が楕円運動をしながら、歪みが伝搬
( = 弾性波の半波長:sub mm ~ 数mm @1GHz)
半導体中
励振検出 V
電極間隔
高周波測定器
表面変位 ≲ 1nm
表面近傍を伝わる
・エネルギーが集中・外部からアクセスし易い・時空間的に物性を操作
櫛形電極のリソグラフィーと配線
レーザー光による周期的表面変位 (< 1 nm)
の測定
励振・伝搬状態の観測
半導体デバイス構造への表面弾性波の導入
ハーフミラー
光検出器
レーザー
ロックインアンプ
高速オシロスコープ
SigRef
RF信号発生器 回折光
100μm
SAW
SAWによる周期的誘電率変調→ 光の周波数・方向・位相制御機能へ
λSAW = 30 um-3.0
-2.0
-1.0
0.0
1.0
2.0
3.0
x10
-6
1.501.251.000.750.500.250.00
5.0
4.5
4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
x10
-3
(光照射位置 x) / λSAW
R0
[mV
]
DR
[m
V]
SAW励振時の誘電率の空間変化
極微小空間にレーザー光を照射し、反射光強度の高周波変化を測定
SAWによる電子・スピン状態の制御
ピエゾ電場による周期的バンド端変調
動的量子井戸構造へ
k 反転対称性の破れ
超薄膜構造における正孔のE-k 分散関係
回転運動
スピン制御へ
非相反機能へ
12
InP基板
2光子吸収で光をON/OFF(スイッチ)
InGaAs
InAlAs
効率よく(低いパワーで)動き、信号を劣化させないために
ナノ構造の光導波路
2光子吸収を利用した超高速光スイッチの試作
~100μm
をつくる
伝導帯
価電子帯
半導体中の光吸収 超高速光スイッチの基本構造
出力光
スイッチング制御光
信号光
入力出力光なし
~1μm
0.05μm
< ~1μm
0.2μm
試料作製・測定・加工
• InP(001)基板上にInxGa1-xAs薄膜を
MBEにより成長
試料作製:
•波長可変フェムト秒レーザ
•縮退ポンプ・プローブ法(応答速度測定)
応答測定:
• COMSOL Multiphysics
(各種シミュレーション)
導波路構造設計:
•電子線リソグラフィ
•反応性イオンエッチング(RIE)加工
試料加工:
光導波路型全光スイッチの作製
入射光
導波路型デバイス
出力光
5µm InP
500μm
Sampleholder
225μm
Cross section SEM imageof cleaved InP waveguide
Mounted InP waveguide sample
Waveguide導波路加工の例
10.8μm
16.1μm
導波路での電場強度
A B C D
Beam waist position x1 [mm]
Tra
nsm
itta
nce
試料長
Fitting curveシミュレーション結果
シミュレーションと実験値との比較
化合物半導体の微細構造を用いた
高性能・新機能光デバイスの開拓卒研内容
•弾性波・フォノン効果による光・電子・スピン物性制御と新デバイス原理の探索
•レーザ光による超短時間・極微空間物性制御と測定
•超高速な光導波路型全光スイッチの作製(設計シミュレーション,半導体成長,微細加工,光学測定)
•半導体の光非線形特性を利用した新しい光デバイスの開発
来たれ!
•物質(半導体)の電子・光を制御して究極的性質を追求し,それを応用することに興味を持つ人
•ナノテクノロジー,オプトエレクトロニクスに興味を持つ人
•半導体ナノ構造の結晶成長,微細加工,各種測定技術(超高速,極微小領域,高周波)に興味を持つ人
研究室・実験場所
工学部1号棟2階(学生室:218室)
VBL
理学部2号館
工学部4号棟