本記事は , 文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム事業 秀でた利用成果について紹介するものです .

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム 令和２年度秀でた利用成果

InP 埋め込み再成長によるフォトニック結晶の形成～面発光型量子カスケードレーザの開発～
株式会社東芝 橋本 玲，斎藤 真司
東京工業大学 微細加工プラットフォーム 高橋 直樹，宮本 恭幸（左）株式会社 東芝 斎藤 真司，橋本 玲（右）東京工業大学 宮本 恭幸，高橋 直樹

ることではこれらの計測機器を小型・ポータブル化することが可能である．また，工場やフィールドにおいてはリア

１．はじめにルタイムでのリモートセンシングが求められており，サン近年，Society 5.0，第四次産業革命といったキーワード

プリングによる分析とは異なり，光源には高出力と高ビーで象徴されるように，デジタルデータの活用が産業の構ム品質の両立が求められている．今回開発した面発光型造や仕組みを大きく変えている．既存のデータのみならQCL は高出力で高ビーム品質が期待できるだけでなく，生ず，新たなセンシング手法により，従来取得できなかった産性がよく，製造コストを抑えることができると期待され情報をデジタル化し，活用する試みが様々な分野でなされている．面発光レーザは可視光や近赤外光のレーザーダイている．我々は新たなセンシング手法の一つとして，中・オード（LD：Laser Diode）で研究が進んでおり，すでに遠赤外波長域の光源である量子カスケードレーザ（QCL：スマートフォンに搭載されるなど応用が広がっている．開Quantum Cascade Laser）を用いたセンシング技術の開発

発を進めている QCL は，面発光レーザで一般的な構造でを行っている．QCL は，中・遠赤外波長域で発振可能な半ある垂直共振器型が原理的に実現できない．このためフォ導体レーザ（図 1）であり，3 ～ 16μm の波長域において，他の光源に比べ，スペクトル幅が狭い光源を実現できる．

トニック結晶（PC：Photonic Crystal）を利用する面発光

この波長領域は分子の指紋領域とも呼ばれ，様々な分子振るうえで，PC を半導体で埋め込む工程にナノテクノロジー

動の吸収帯が存在し，その吸収波長から空間に存在する分プラットフォーム事業を活用させていただき，研究開発を子の同定が可能である．この特徴を活かして従来からサン加速することができた．このほかにも本事業には同様に先プリングしたガスの分析等に利用されてきた．例えば温室駆的な研究者が積み重ねた技術が数多くあるので，新たな効果ガスである二酸化炭素，窒素酸化物や硫黄酸化物のモ開発に取り組む際には，本事業を確認，検討することをおニタリング，医療・ヘルスケアなどの応用技術の発展や実勧めしたい．本稿がナノテクノロジープラットフォーム利用化に役立つと期待されている [1][2]．QCL を光源に用い用のきっかけとなったら幸いである．

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型 QCL 素子構造の開発を進めている [3][4]．素子を試作す

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図1

量子カスケードレーザの発振波長域

QCL は 1984 年に初めて発振が確認されて以来，端面発２．面発光型量子カスケードレーザとは光型で開発が行われてきた（図 3（a））[5]．端面発光型では，QCL は，他の半導体レーザと同様に，活性層と呼ばれ半導体基板に積層した数 μm の厚さの活性層を含むコアを持つ導波路構造から光を取り出すため，レーザ光が数十度る電流を光に変換する層構造と光密度を高める共振器構造の角度で広がって射出されてしまう．高出力を得るため，とで構成される．活性層は発光層と注入層を 1 周期として，活性層の体積を大きくする際には共振器の幅を大きくする

これを複数周期繰り返した構造となっている．発光層は複こととなるため，空間的に複数の発振モードが生じ，ビー数の量子井戸からなり，量子準位間を電子が遷移し，光をムの形状を維持するのが難しい．端面発光型の共振器はへ生じる．注入層は発光層の間にあり，電子を発光層の上準き開で作製する反射面により，共振と光の出射を行う．結位に移動させる役割がある．図 2 にその構造の模式図を示

晶のへき開面は原子オーダーで平坦であるためレーザの反した．今回試作した活性層は発光層と注入層が 30 周期繰

射面として優れている．一方，へき開面を形成する工程はり返された約 600 層の量子井戸で構成されている．1 周歩留まり低下の要因となる．さらに素子を評価する工程で期の構造では利得が低いことから，このような多層構造では，基板上で一括評価できず，素子に分割した後となるた利得を高める必要がある．共振器構造は，大きく分けて端め，工程の作業量が多くコストが高い．対照的に面方向に面発光型と面発光型がある．端面発光型は半導体基板上に光を出射する面発光型は，へき開による歩留まり低下がな形成された活性層と平行に光を往復させ素子側面から光をいこと，基板上で素子の評価が可能であることが生産上の取り出す，面発光型は活性層に垂直な方向から光を取り出コスト面で優れている．さらに，面発光型は出射部の面積す構造である．

が大きく，対称性が良い形状とできることから，出射光の図2

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QCL の活性層における伝導帯量子井戸の模式図

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム令和 2 年度秀でた利用成果 -2図3端面発光型 QCL と面発光型 QCL の模式図

ビームの広がりが小さく，ビーム形状が等方的となり，特法である．MOVPE 法は，成長開始時の基板の前処理や各性面で端面発光型に比べ優れている [6]．面発光型レーザ

元素の原料ガスを流し始めるタイミングなど，装置ごとには，垂直共振器型と呼ばれる活性層の上下に多層膜構造のノウハウの蓄積が必要な成長方法である．さらに再成長にミラーを形成し共振させるものと，フォトニック結晶（PC）よる埋め込み工程では，埋め込む構造の形状変化を最小限などの周期構造で共振を生じさせ，面方向に光を取り出すに保ちつつ，表面に存在する自然酸化膜を除去し，再成長ものとがある．QCL の光は量子準位間の遷移で生じるため，へと進めるノウハウが求められる．開発を始めた当初，こ偏光が基板に垂直方向となり，垂直共振器型の実現は原理の工程のノウハウを持つ委託製造業者を国外も含めて探索上不可能であるが，PC を用いた構造により面発光型が実し，可能性のあるいくつかの事業者に詳細を説明し，検討現できる．PC を用いた面発光型レーザ（図 3（b））では，を行った．海外に 1 社実績のある委託製造業者を見つけた

高出力化のため素子面積を大きくしても，空間的に発振ものの，PC のような微小な形状を埋め込む際に形状を保モードを単一にでき，モード制御が維持しやすい．さらにつことは保証できないとの回答であった．さらに国内の大面積を大きくすることで，熱的な抵抗を下げることができ，学でご協力を仰げる研究室は無いかと，化合物半導体の研素子の温度上昇を防ぐことができるなど優れた特徴がある究で著名な東工大 web ページを眺めていたところ，ナノ[7]．このような優れた特徴を持つ PC を用いた面発光レーテクノロジープラットフォームにおいて MOVPE の受託を

ザは，LD では実現されているものの，QCL では実現され行っていることを知った．以前より分析分野で本事業の活ていなかった．

用検討を行っていたものの，結晶成長の技術提供をいただ2017 年に物質・材料研究機構，東京工科大，東芝の 3けることをこの時初めて知った．ご担当の宮本教授にご連者で共同開発を開始した．2019 年にスイス工科大学のグ絡し技術に関してのご説明の時間を取っていただいた．こループにより波長 8μm において，PC を用いた QCL の面発光を報告がなされた [8]．残念ながら世界初は逃したもの技術を独自に立ち上げる場合，装置の構想から結晶成長のの，波長 4μm での開発を継続し，2020 年に我々のグループにおいて面発光を実現することができた．

技術をご提供いただけることは，今回の開発において飛躍ができるまでは，見積では少なくとも 2 年は必要で，この的な加速が得られることとなった．工程の打ち合わせの際には，懸念されるエラーモードや成長前の表面状態の処理方法などの技術をご教示いただき，試作の際の後戻りなく，

３．ナノテクノロジープラットフォーム
事業利用の経緯QCL に PC を搭載するためには，PC となる周期構造をPC の埋め込み再成長を行うことができた．完成した素子を走査電子顕微鏡で観察したところ，PC の凹凸形状は平坦に埋め込まれ，その界面にはボイドなどの欠陥は生じていないことがわかった．

ナノメートルオーダーの精度で形成する工程とともに，周期構造の間を屈折率の異なる半導体で埋め戻す，半導体結晶の再成長工程が必須となる．再成長の技術は，凹凸を平坦化し易い有機金属気相成長法（MOVPE：Metalorganicvapor phase epitaxy）が，一般的に用いられる．この成長

４． 面 発 光 型 量 子 カ ス ケ ー ド レ ーザの開発

法は成長時の基板の温度が比較的高いため，結晶を構成QCL の高出力化と高ビーム品質の両立を目指し，PC をする原子の基板表面での拡散長が長く，平坦化し易い成長用いた面発光レーザの開発を行った．PC は，屈折率が周NanotechJapan Bulletin Vol. 14, No. 4, 2021

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期的に変化するように形成された構造であり，光の伝搬をい量子井戸が要求されるため，引っ張り歪の InGaAs と圧制御できるという特長を持つ．特定の波長の光だけを伝搬縮歪の InAlAs とを組み合わせ，歪を制御しつつ，図 4 のさせる機能や伝搬を禁止する機能，光の伝搬方向を平行方ような原子オーダーの平坦性を保ちながら結晶成長を行っ向 から垂直方向に変更させるビーム射出制御機能などがている．

得られる．これら PC 特性を利用することで，様々な応用が期待できる [7]．

活性層の直上に InP に格子整合した InGaAs 層を形成し，この層を加工し PC を作製した．試作した PC は，波長今回，共同研究機関である物質・材料研究機構による4.387μm がフォトニックバンドエッジとなる設計として電磁界シミュレーションの結果から，手始めとして最もシンプルな円柱の PC を正方格子に配置した構造で試作をいる．赤外波長域用の PC の大きさは，およそ数 μm であるが，レーザとして要求される波長制御性は，nm オーダー行った．試作と評価の結果より材質の光学パラメータなどであり，PC の作製には，nm オーダーでのリソグラフィー設計の精度を高めることができる．PC の光閉じ込めや回が可能な電子ビーム（EB：Electron Beam）描画装置を用折効果は，周期的な屈折率分布の差が大きいほど，また光いて行った．PC を作製するには，まず EB 描画装置を用いと PC の重なりが大きいほど大きくなる．屈折率の差を大たリソグラフィーによって，厚さ 1.0μm の InGaAs 層に対きくするためには，空隙を周期的に並べる構造も提案さし，直径約 1.1μm の円柱状 PC が約 1.4μm 間隔で正方格子配置になるようにパターニングを行う．その後，ドライれているが，QCL は LD に比べ，動作電圧が高く，顕著な温度上昇が生じるため，良好な熱伝導がえられる InP とInGaAs の半導体による周期構造とした．

４．
１デバイス構造と試作

QCL の膜構造は，分子線エピタキシー法を用いて InP基板上に成膜した．発光層は波長約 4.4μm で発振するよう設計されており，約 600 層の厚さ数 nm の InGaAs 層とInAlAs 層からなる量子井戸で構成されている．図 4 は活性層の量子井戸構造の透過電子顕微鏡写真である．白黒の繰り返しが見て取れるが，これが注入層と発光層からなる1 周期で 30 周期繰り返した構造となっている．先に報告されている波長 8μm の PC を用いた面発光 QCL の活性層は，InP 基板と格子整合した組成の InGaAs/InAlAs で構成されているが，波長 4μm を実現する量子井戸は，より深図5

図4QCL の活性層の透過電子顕微鏡像

QCL の素子化プロセスとナノテクノロジープラットフォーム事業（技術代行）を活用した試作工程

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エッチングで InGaAs 層を円柱状に加工した．次に，PC の段の PC パターンニング，次の工程の PC 埋め込み＆上ク周辺を InP で埋めるために，本ナノテクノロジープラットラッド層成膜の工程後の像である．我々のグループにおいフォームにより有機金属気相成長法を用いて InP 層を成膜て図 6（a）までの作成した後，円柱状の PC の上に残っした．その後，再度リソグラフィーとドライエッチング手ている SiO2 で作製したドライエッチングマスクを除去し，法を用いて，約 500μm 角の電流狭窄構造を作製した．また，発光層以外への電流リークを防止するために素子全体にプ東工大に持ち込み，成長前の薬液処理を行い，MOPVE 成ラズマ化学気相成長法を用いて SiO2 絶縁膜を成膜した後，用いた前処理，自然酸化膜を除去しながら再成長温度まで発光層への電流注入を可能にするためにドライエッチング

昇温する温度や原料ガスのフローは，これまで東工大での手法を用いて発光層上部の絶縁膜を除去した．更に，表面・数々の実績で得られた方法を適用した．これにより図 6（b）

裏面の Ti/Au 電極は，スパッター成膜法を用いて成膜した．に示したように，PC を平坦に埋め込みつつ，空隙などの表面は，レーザ光を素子内部で裏面側に反射させるために欠陥のない結晶成長が実現できている．

長炉に導入し，再成長埋め込みを行った．この際の薬液を表面全面に成膜し，裏面は，レーザが射出される箇所を確保するために一部を開口して成膜した．最後に，スクライバーとへき開器を用いて個別のレーザ素子化を行った．

４．３

面発光型量子カスケードレーザの特性素子化された面発光型 QCL を評価用ヒートシンクに実Si ドープ InP による再成長埋め込み構造装し，素子特性の評価を行った．素子と実装後の写真を図

図 6 には試作した QCL 素子の埋め込む前の PC の走査における，電流電圧・光出力特性と発振スペクトルを図 8電子顕微鏡（SEM：Scanning Electron Microscope）によに示す．光出力と発振スペクトルは，ともに素子の垂直方る鳥瞰観察像（a）と Si ドープ InP による再成長埋め込み向に射出されるレーザ光についての測定結果である．光出を行った断面 SEM 像（b）を示す．図 5 に示した工程上力がしきい値を持って急激に上昇していること，半値幅が４．
２7 に示す．液体窒素温度（約 77K）でのパルス駆動評価（1%）

図 6 （a）埋め込み成長を行う前の PC と（b）再成長 InP による PC の埋め込み後の SEM 像

図7

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素子外観と実装して配線を行った面発光 QCL 素子

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム令和 2 年度秀でた利用成果 -5図8面発光 QCL の電流－電圧－光出力特性．発振スペクトルの再成長埋め込み工程をナノテクノロジープラットフォーム事業の活用で加速することができた．東工大で蓄積された技術やノウハウにより，後戻りの無い開発試作が行えた．
本事業を見つけられずに開発を進めていたならば，いくつかの困難に直面していたことが予想される．今回，この技術を適用したことで早期に波長 4μm 帯の面発光型 QCL のレーザ発振に成功した．面方向へ射出されたレーザ光のビーム広がり角度は 2°以下と，端面発光型 QCL と比較して極めて狭く，高いビーム品質が得られる可能性を確認できた．今後，温室効果ガスのモニタリングや遠隔でガス漏えいを検知するリモートセンシング技術，医療・ヘルスケアなどの応用技術と組み合わせ，社会実装に向けた取り組みを進める．
図9

面方向に出射されたレーザ光の遠視野像

狭い単峰性のスペクトルが得られていることから，レーザ謝辞発振していることが確認できる．発振波長は約 4.43μm で本研究は，国立研究開発法人 物質・材料研究機構と，PC の設計波長 4.387μm とほぼ一致している．図 9 に発振時の遠視野像を示す．ビームは素子の裏面側からほぼ垂学校法人 片柳学園 東京工科大学との共同研究として実直方向に射出されており，ビーム射出角度は 2°以下であNumber JPJ004596 の研究課題「フォトニック結晶による．従来の端面発光型 QCL のビーム射出角度が数十度でる高ビーム品質中赤外量子カスケードレーザの開発」の支あることと比較すると，この射出角度は極めて狭い．今回援を受けて実施した．また，文部科学省ナノテクノロジー試作した円柱 PC においては，原理上垂直 0°方向へは放射プラットフォーム事業（NIMS 微細加工プラットフォーム），されない．このため 0°からわずかにずれた方向への出射12025014（F-17-IT-0002）の支援を受けて実施した．本となっている．対称性の低い形状の PC を用いることで垂研究にご協力いただいた皆様にこの紙面をお借りして厚く直 0°にピークを持つ放射が実現できることがわかってい御礼申し上げます．

施 し た． 防 衛 装 備 庁 安 全 保 障 技 術 研 究 推 進 制 度 Grant

る．

参考文献

５．まとめ

[1] F. K. Tittel, Y. Bakhirkin, A. A. Kosterev, G Wysocki, Rev.

中・遠赤外波長域の光源を用いたリモートセンシングや医療・ヘルスケアなどへの応用適用を目指し，PC を用いた面発光型 QCL 素子の開発，試作を行った．半導体結晶

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Laser Eng. 34, 275 (2006).
[2] A. Maekawa, Y. Shiomi, M. Uchida, and T. Kakuno, Proc.
SPIE 10111, 1011106 (2017).

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黒田 隆 , 迫田 和彰 , 第 81 回応用物理学会秋季学術講(2019).

演会 [9a-Z04-5] (2020).
[5] J. Faist, F. Capasso, D. L. Sivco, C. Sirtori, A. L.

（株式会社 東芝 斎藤 真司）

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[6] K. Iga, Proc. SPIE 11263, 1126302 (2020).

【お問い合わせ】
微細加工プラットフォーム
東京工業大学☎ 03-5734-2572
E-mail nanofab@quantum.pe.titech.ac.jp

ホームページ
http://www.pe.titech.ac.jp/qnerc/
nano_support/index-j.html

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