酸化亜鉛系半導体を用いた室温動作励起子ポラリトンレーザ実現に関する基礎研究

利用氧化锌半导体实现室温激子极化激元激光器的基础研究

• 批准号: 15656080
• 负责人: 秩父 重英
• 金额: $ 2.05万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• 财政年份: 2003
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2003 至 2004
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-15656080/
• 关键词: ヘリコン波励起プラズマ; 酸化亜鉛; 励起子; 励起子ポラリトン; 分布ブラッグ反射鏡; 誘電体多層膜; エピタキシャル成長; MgZnO; エピタキシー; 共振器; 多層膜; 反射鏡

本研究は、励起子束縛エネルギーの大きい酸化亜鉛(ZnO)の優れた材料的特長をデバイスに抽出して生かすべく、励起子共鳴波長程度のZnO単結晶薄膜を対向する反射鏡で挟み込むことにより微小共振器を形成し、励起子と電磁波の連成波(励起子ポラリトン)を共振器モードに結合させることによって、室温において共振器結合励起子ポラリトンを形成することを最終目標として行った。2年間で得られた成果のハイライトは以下の点である。1)申請者が独自に開発した「ヘリコン波励起プラズマスパッタエピタキシー(HWPSE)法」を用い、a面サファイヤ上へのZnOおよびMg_<0.06>Zn_<0.94>O混晶のエピタキシャル成長に成功した。また、プラズマ分光測定を通じ、MgZnO薄膜形成中にZnおよびMg原子からの強い発光が観測される事を見出した。従って、成長にはターゲットから飛び出すZn-O分子やMg-O分子だけでなく、カチオン原子が寄与している事を明らかにした。2)微小共振器の構成部品となるSiO_2/ZrO_2誘電体多層膜および、MgZnO/ZnOとAIN/GaNの半導体多層膜の設計を、分布ブラッグ反射鏡の反射率計算から行った。その結果、誘電体多層膜では屈折率差が大きく取れることから、膜厚誤差ほぼ3nm以内で62.0nm/42.7nmの周期構造を8周期形成することにより99%の反射率が得られるが、半導体多層膜では同等の膜厚比で40周期程度堆積する必要がある事がわかった。この計算をもとに、実際に電子ビーム蒸着法と、HWPS法の2通りの方法でSiO_2/ZrO_2誘電体多層膜反射鏡の形成実験を行った。その結果、特にHWPS法を用いた場合に、表面の平均二乗粗さが0.2nm程度のSiO2やZrO2堆積できることが明らかになった。ブラッグ反射鏡としてはレコード級の平坦さである。3)HWPSE法以外の成長法(レーザMBE法やMBE法)により成長されたZnO薄膜結晶を用い、励起子と電磁波の連成波の観測実験を行った。その結果、薄膜試料であってもi)高温成長による低Zn空孔密度化、ii)高温アニールによる低格子間欠陥密度化を行うことによって高次励起子や励起子ポラリトンが観測できることを示した。以上のように、萌芽的内容であり実現の可能性が未知数であった酸化亜鉛の励起子ポラリトン形成に関して、有用な知見を与えられたと考えている。

In this study, ZnO crystal thin films were prepared from ZnO crystal thin films at the excitation resonance wavelength, and the reflection mirrors were prepared from ZnO crystal thin films at the excitation resonance wavelength.(Excitation) Resonator bonding: room temperature, resonator bonding: final purpose. Two years later, the results were achieved. 1)The applicant developed the "HWPSE method" independently and successfully using the ZnO and Mg_<0.06>Zn_<0.94>O mixed crystal growth method. The results of spectroscopic measurement of Zn and Mg atoms in MgZnO thin film formation were reported. The growth of Zn-O molecules and Mg-O molecules is a matter of time. 2)Design and distribution of SiO_2/ZrO_2 dielectric multilayer films, MgZnO/ZnO and AlN/GaN semiconductor multilayer films for microresonators As a result, the refractive index difference of the dielectric multilayer film is large, the film thickness error is less than 3nm, the periodic structure of 62.0 nm/42.7 nm is formed in 8 periods, the reflectance of 99% is obtained, and the semiconductor multilayer film is deposited in 40 periods with the same film thickness ratio. The calculation of this problem and the practical application of the two-way method of HWPS and HWPS are discussed. In the case of HWPS method, the average thickness of SiO2 and ZrO2 on the surface is 0.2 nm. The mirror is flat. 3) Growth methods other than HWPSE method (MBE method or MBE method) are used to measure ZnO thin film crystals, excitation and electromagnetic waves. The results show that the thin film samples are: i) low Zn void density at high temperature growth; ii) low lattice underdensity at high temperature growth; and iii) high order excitation and excitation. The possibility of realization of the above-mentioned contents is unknown, and the formation of excitation is related to useful knowledge.

项目成果

秩父重英, 宗田孝之: "II-VI族酸化物半導体ZnOにおける励起子領域の光学スペクトル"応用物理(研究紹介). 73・5(5月発巻). (2004)

Shigehide Chichibu、Takayuki Muneta：“II-VI族氧化物半导体ZnO中的激子区域的光谱”应用物理（研究简介）73・5（2004年5月号）。

T.Koyama, S.F.Chichibu: "Importance of lattice-matching and surface arrangement for the helicon-wave-excited-plasma sputtering epitaxy of ZnO"Journal of Applied Physics. 96(in press). (2004)

T.Koyama、S.F.Chichibu：“晶格匹配和表面排列对于 ZnO 螺旋波激发等离子体溅射外延的重要性”应用物理学杂志。

Exciton–polariton spectra and limiting factors for the room-temperature photoluminescence efficiency in ZnO

• DOI: 10.1088/0268-1242/20/4/009
• 发表时间: 2005-04
• 期刊: Semiconductor Science and Technology
• 影响因子: 1.9
• 作者: S. Chichibu;A. Uedono;A. Tsukazaki;T. Onuma;M. Zamfirescu;A. Ohtomo;A. Kavokin;G. Cantwell;C. Litton;T. Sota;Masashi Kawasaki

Radiative and nonradiative excitonic transitions in nonpolar (11-20) and polar (000-1) and (0001) ZnO epilayers

非极性 (11-20) 和极性 (000-1) 和 (0001) ZnO 外延层中的辐射和非辐射激子跃迁

• 发表时间: 2004
• 期刊: Applied Physics Letters 84(7)
• 作者: T.Koida;SF.Chichibu;A.Uedono;T.Sota;A.Tsukazaki;M.Kawasaki
• 通讯作者: M.Kawasaki

In situ monitoring of Zn* and Mg* species during helicon-wave-excited-plasma sputtering epitaxy of ZnO and Mg_<0.06>Zn_<0.94>O films

ZnO 和 Mg_<0.06>Zn_<0.94>O 薄膜螺旋波激发等离子体溅射外延过程中 Zn* 和 Mg* 物质的原位监测

• 发表时间: 2004
• 期刊: Journal of Vacuum Science and Technology B 22(4)
• 作者: T.Koyama;T.Ohmori;N.Shibata;T.;Onuma;S.F.Chichibu
• 通讯作者: S.F.Chichibu