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。

This study was conducted to extract and utilize the excellent material features of zinc oxide (ZnO) with a large exciton bound energy into the device, and to create a microresonator by sandwiching a ZnO single crystal thin film with an exciton resonance wavelength between opposing reflectors, and by coupling the coupled waves (exciton polaritons) of excitons and electromagnetic waves into the resonator mode, the final目的是在室温下形成一个谐振器耦合的激子北极星。在两年中获得的结果的亮点如下：1）使用申请人开发的“ Helicon Wave激发等离子体溅射同际（HWPSE）方法”，我们成功地在A-Plane Sapphires上表现出了效法。此外，通过血浆光谱法，发现在MGZNO薄膜的形成过程中观察到了Zn和Mg原子的强发射。因此，据揭示了从靶标弹出的Zn-O和MG-O分子有助于生长，还会导致阳离子原子。 2）SIO_2/ZRO_2介电多层膜的设计，该膜是微孔子的组件，以及MGZNO/ZnO和AIN/GAN的半导体多层膜，是通过反射率计算的分布式Bragg反射器的反射计算。结果，在电介质多层膜中，折射率差异很大，并且通过形成八个周期性结构，厚度误差约为3 nm，可以获得99％的反射率，但是，发现半导体多层膜需要以等效的膜厚度沉积在约40 cycles的层厚度上。基于此计算，我们实际进行了一个实验，以使用两种方法：电子束沉积和HWP形成SIO_2/ZRO_2介电多层反射器。结果，揭示了表面平均平方粗糙度的SIO2和ZRO2沉积约为0.2 nm，尤其是在使用HWPS方法时。对于布拉格反射器来说，它与记录级别一样平坦。 3）我们进行了一项实验，使用ZnO薄膜晶体通过HWPSE（Laser MBE或MBE）生长的ZnO薄膜晶体观察激子和电磁波的合并波。结果，证明即使对于薄膜样品，也可以观察到高温生长和ii）低降低间隙缺陷密度而引起的低量孔密度观察到高温孔隙密度。如上所述，我们认为，它为我们提供了有关氧化锌激子极化子形成的有用知识，这是一种萌芽的内容，实现的可能性是未知的。

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。

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

Reduced defect densities in the ZnO epilayer grown on Si substrates by laser-assisted molecular-beam epitaxy using a ZnS epitaxial buffer layer

• DOI: 10.1063/1.1832734
• 发表时间: 2004-12
• 期刊: Applied Physics Letters
• 影响因子: 4
• 作者: T. Onuma;S. Chichibu;A. Uedono;Y. Yoo;T. Chikyow;T. Sota;M. Kawasaki;H. Koinuma