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