フォトニックバンど構造における量子化された光波・電子波間の相互作用の検証

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フォトニックバント構造は光学波長オーダーの多次元的な周期性によって光の発生,伝搬を制御する新しい概念構造であり,特に半導体2次元構造は,効果的な光波・電子波の相互作用,高い設計自由度,比較的単純な製作プロセスといった特徴から超高効率発光素子への発展が期待されている.本研究では,同構造中の光の状態密度,半導体への光閉じ込め係数,放射パターンをフォトニックバンド計算より求め,バンドギャップ付近での電磁界の振る舞いや実験で観測される現象を予測した.そして0.3ミクロン以下の直径と1ミクロン以上の高さをもつ高アスペクト比超微細円柱の配列によって基板垂直方向偏波に対するバンドギャップが得られること,バンド下端で半導体へ効果的に光が局在化し,状態密度が高まること,光が半導体方向へ放射されること,等を明らかにした.また実験においては加工ダメ-ジや表面再結合の問題が小さいGaInAsP/InP半導体を上記の円柱構造に加工することを検討した,まず表面再結合の影響を考慮した円柱の発光効率を理論的に調べた結果,この材料と構造の組み合わせで1マイクロアンペアの微弱電流注入でも十分な効率が見込めることを確認した.次に電子ビーム描画法とメタン系反応性イオンビームエッチング法を併用した構造の製作条件を把握し,最適設計される円柱構造が形成可能な見通しを得た.さらに歪量子井戸発光層を含むウエハにこの加工を施したところ,直径0.3ミクロンの円柱において十分な発光強度と広がりの少ない発光スペクトルが確認され,本方法の有効性が確認された.さらに基板水平方向偏波の2次バンドギャップ条件で製作した構造の発光スペクトルを観測したところ,バンド計算で予測される偏波依存性が実際に確認された.以上の研究によりこれまで物理学の分野で概念的に語られてきたフォトニックバンド構造の実現の見通しが得られたものと考える.