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

熱アシストハードディスク用微小光熱源 ナノヒーター ® 素子

株式会社イノバステラ 栗山 和巳氏，杉浦 聡氏，豊橋技術科学大学 八井 崇氏，ナノフォトニクス工学
推進機構 橋本 和信氏，東京大学 微細加工プラットフォーム 三田 吉郎氏，水島 彩子氏，落合 幸徳
氏に聞く「秀でた利用成果」の受賞式にて左から（○は支援チーム（三田研究室）メンバー）；○ - 杉浦氏 - ○ - 栗山氏 - 八井氏 - 佐藤選定委員会主査 - 三田氏 - 橋本氏 - 太田氏 - ○ - ○WEB 取材の様子（○は取材スタッフ）；
上段左から○ - ○ - 落合氏 - 杉浦氏，
中段左から栗山氏 - 水島氏 - 橋本氏 - ○，下段左から八井氏 - 三田氏

NanotechJapan Bulletin Vol. 14, No. 1, 2021

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 -1

文部科学省ナノテクノロジープラットフォーム（NPJ）
事業は，最先端ナノテクノロジー装置を有する 25 研究法

１．東京大学 微細加工プラットフォームの概要と運営ポリシー [2]人が，全国の産学官の研究者へそれら装置と使用上のノ
ウハウを提供することにより，イノベーションにつながる研究成果の創出を目指している．NPJ は微細構造解析，先ず，東京大学の微細加工 PF について，三田氏に概要

微細加工，分子・物質合成の 3 つのプラットフォーム（PF）を伺った．なお，NanotechJapan Bulletin では過去に，本から構成され，1,000 を超える最先端のナノテクノロジー

PF を使用した成果を紹介した記事にて，どんな供用設備設備を保有している．利用件数は年間 3,000 件を超え，があって，どんな技術を支援してもらえるかについて詳細

その中から毎年，特に優れた成果を上げた研究課題を「秀に解説したので，参照されたい [3][4]．

でた利用成果」として表彰してきた．令和 2 年度は 6 件

東大の微細加工 PF は「超微細リソグラフィー・ナノ計が表彰され，その内の「熱アシストハードディスク用微測拠点（東京大学）」と称し，東京大学本郷キャンパス浅小光熱源ナノヒーター ® 素子」が最優秀賞に選ばれた [1]．

野地区にある「武田先端知ビル」内のスーパークリーンルー

受賞者はユーザー側が，株式会社イノバステラ 取締役

ムに，65 台の微細加工関連設備を整備（装置価値総額 35

CTO

杉浦 聡氏，同 望月 学氏，国立大学法人 豊橋技術

億円以上）
，教職員及び学生技術補佐員からなる 20 名の科学大学 大学院工学研究科 電気・電子情報工学系 教授

スタッフが管理運営に携わる．本 PF では，最新の装置が八井 崇氏，学校法人 福岡工業大学 工学部電子情報工学

常に良好な状態に維持管理調整され，産官学のユーザーが科 教授

片山 龍一氏，特定非営利活動法人 ナノフォトニ

クス工学推進機構

廉価に使用できるので，研究開発の迅速な立上げが可能で

橋本 和信氏，同 井上 友里恵氏，国ある．ユーザーには「あなたの研究室が PF にあります．

立研究開発法人 情報通信研究機構 光ネットワーク研究所

価値観を共有する研究者の共同体として運営し，成功の可

研究室長

赤羽 浩

能性を提供します」との運営ポリシーを語り，過去 9 年間

松本 敦氏，Carnegie Mellon Univ.,

でユーザー研究室は 380 室，ユーザー登録者は年 900 名，

James A.Bain 氏である．支援機関である東京

延べ 3000 名を超えるなど，多くのユーザーを支援してき山本 直克氏，同 研究マネージャー

一氏，同 主任研究員
Professor

大学微細加工 PF 側受賞者は，国立大学法人 東京大学 大た．

学院工学系研究科 電気系工学専攻 准教授，同 附属システ

図 1 は本 PF を使った研究開発のやり方を，１～６のフムデザイン研究センター基盤デバイス研究部門長 兼 微細

ローとして描いたものである．利用者は水色枠で囲んだ

加工 PF 拠点長

澤村 智紀

1．新しいアイディア～６．実験・デモンストレーション

太田 悦子氏，同の全体を責任範囲とし，右下の赤色枠で囲んだ４．デバイ

三田 吉郎氏，技術専門職員

氏，同 水島 彩子氏，学術支援専門職員
藤原 誠氏，特任研究員

Eric Lebrasseur 氏である．

ス試作プロセス実行と５．デバイス特性計測・パッケージ

今回は WEB 取材にて，ユーザー側受賞者の杉浦氏・ングを本 PF が管理範囲として支援する．左下の黄緑色で八井氏・橋本氏に株式会社イノバステラ代表取締役社長

囲んだ２．デバイス設計と３．試作プロセス設計についてCEO

も，PF 側からの技術供与が可能である．こうしたデバイ

栗山 和巳氏と，PF 側受賞者の三田氏・水島氏にPF 東大拠点マネージャー

落合 幸徳氏にも参加いただ

ス試作・評価環境を PF がプラットフォーマーとして準備

き，最優秀賞を受賞したナノヒーター ® 素子について，

し，多くの研究者がシェアして利用することでオープンイ

その研究開発の狙い・意義・技術内容，産学官の連携チー

ノベーションが生まれることを期待している．

ム構成，PF が支援した微細加工技術，今後の展開などを伺った．

発では，イノバステラ社（次章で紹介）とナノフォトニ

図1

NanotechJapan Bulletin Vol. 14, No. 1, 2021

今回の受賞テーマであるナノヒーター ® 素子の試作開

東京大学 微細加工 PF を使った研究開発のやり方

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2

コロナ耐性の高い微細加工 PF へ

ク ス 研 究 推 進 機 構（NPEO：NanoPhotonics Engineering

パイオニア株式会社で光ディスクの研究開発に長年携った

Organization）が PF 外部利用者となった．NPEO は，大後，法務・知的財産部門等で活躍された栗山氏が 2015 年

津 元一 東京大学名誉教授が理事長となって 2005 年に設にスピンオフして創設した [6]．設立にあたっては，パイ

立した特定非営利活動法人で，最先端技術である近接場光

オニアの元会長である松本 冠也氏の助言及び援助を受けを応用したナノフォトニクス技術に関して，産官学の連た．量子ドットや近接場光デバイスの関する特許をパイ

携による共同研究開発を推進する事業を展開している [5]．

オニア社から譲り受け，磁気記録装置（HDD：Hard Disk

大津氏が 2016 年に東京大学を退官する以前，大津・八井Drive）の記録密度を向上する画期的な方式である「熱ア研究室は PF の学内利用者であると同時に，装置をクリー

シスト磁気記録」，そのコア技術であるナノヒーター ® 素ンルームに置きナノフォトニクスの基礎研究を推進してい子の事業化に取り組んでいる（“ ナノヒーター ” はイノバ

た．大津氏の退官に際し，大津・八井研究室の研究スタッステラ社が商標として登録した）．

フであった水島氏・太田氏が PF に移籍し，研究設備を PF

図 3 左で，HDD の記録密度を現状の 10 倍以上に向上さが譲り受けたという絆がある，と三田氏は語った．ナノフォせる「熱アシスト磁気記録」方式について説明する．HDD

トニクス応用研究であるナノヒーター ® 素子の開発では，では，回転する磁気ディスク上の磁性体記録層の磁化を上過去の研究で培った技術を PF で継承して既存技術とのシ向きか下向きかで情報の “ １” か “ ０” かを記録する．記録

ナジーを産み出す価値，利用者が継続的に研究に専念できするためには，薄緑色で示した記録ヘッドを磁気ディスク

る価値，PF で開発した技術を全国展開して日本に貢献す

上に僅かなギャップを保って浮かせ，記録コイルに流す電る価値，を PF が創出した好例と捉えている．なお，イノ流の方向を変えることで右側の記録ヘッド先端に形成されバステラ社を中心とする産官学，日米連携の共同研究開発

る磁界の向きを変えることで，記録層の磁化の向きを変え体制については，次章で説明する．

る．記録密度を上げるには磁化を小さくすればよいが，現

本 P Ｆの今後の運営について，三田氏は以下の抱負を状製品の磁性体では小さい磁化は時間が経つと磁化を保て語った．昨年来の新型コロナウイルス感染症流行により，ない．そのため，保磁力の大きな磁性体を用いたいが，記本 PF も影響を受けているが，図 2 に示すように With コ

録ヘッドの磁界だけでは記録できない．そこで，微小光熱

ロナ・Post コロナに向けて耐性の高いクリーンルームと源（ナノヒーター ®）を記録ヘッド内に組み込んで，記録する準備を進めている．3 密を避けるための設備リモート

層の温度を～ 500℃に上昇させ保磁力を下げて記録するの操作や，AI によるプロセス開発効率化など，“ フィジカル

が，熱アシスト磁気記録である．情報を読み出すには，橙

作業のサイバー化 ” を進めている．

色で示した再生ヘッドで磁化の向きを検出する．
図 3 右は，イノバステラ社が事業化しようとしているナノヒーター ® 素子の構造図である．朱色の量子ドット（QD：

２．株式会社イノバステラの設立経緯と，
ナノヒーター ® 事業化状況

Quantum Dot）発光層を金色の Au 電極で挟み，電流を流すことでレーザー発振するリングレーザーと，金のニード

株式会社イノバステラの概要を，CEO の栗山氏に紹介

ルが僅かなギャップ（< 0.1µm）を隔てて配置される．リ
ングレーザーから金ニードルへレーザー光が漏れ出し，さしてもらった．イノバステラ社（InnovaStella Co., Ltd.）は，らに金ニードルの先からレーザー光が近接場光として記録

NanotechJapan Bulletin Vol. 14, No. 1, 2021

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 -3

図3

熱アシスト磁気記録の記録原理（左）とナノヒーター ® の構造（右）媒体上に照射される．パイオニア社時代から取り組んできた量子ドットや近接場光デバイスの技術を組合わせた，熱アシスト磁気記録向けナノヒーター ® となっている．

ズで進捗してきた状況を示した．
2015 年以前のパイオニア社時代では，国家プロジェク
ト（PJ）に参加して基礎開発に取り組んだ．国立研究開発

ナノヒーター ® 素子の作製プロセスや，東京大学微細

法人 新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の「低加工 PF が支援した内容については，第 4 章で詳細を記載

損失オプティカル新機能部材技術開発」PJ に参画し，“ 近する．ここでは，イノバステラ社を創業する以前も含め，

接場光による全光スイッチの室温動作に世界で初めて成ナノヒーター ® 素子の開発進捗状況を，図 4 に示す．図功 ” の成果に貢献した [7]．この PJ は，東大教授であった

4 は，栗山氏が 2015 年にイノバステラ社を創業する以前，

大津氏が PJ リーダーを務めており，この PJ から栗山氏はパイオニア社に所属していた時代の基礎開発からスタート

近接場光デバイス技術を獲得した．また，NEDO の「大容し，イノバステラ社設立～ 2020 年までのナノヒーター試

量ストレージ技術の開発」PJ では，パターンドメディア

作，その後の製品化に向けた構想と，大きく３つのフェー開発を通して HDD の知見を獲得した．こうして獲得した

図4

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ナノヒーター ® 素子開発の進捗状況

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 -4

図5ナノヒーター ® 素子共同開発の産官学・日米連携チーム

技術をベースにして，InAs 量子ドットを含む GaAs メサ構
造の上に金のナノロッドを載せたナノヒーター ® を 2013
年に提案した [8]．熱アシスト磁気記録向けのナノヒーター® であり，米国の Carnegie Mellon Univ. と共同発表した．

３．豊橋技術科学大学 八井氏のナノフォ
トニクス理論

ナノヒーター ® の初期構想として，リングレーザーと金次にナノヒーター ® 素子の科学的支柱である，近接場

ニードルとの組合せについても，Carnegie Mellon Univ. が光のナノフォトニクス理論について，八井氏から説明が

光強度のシミュレーション結果を示した．

あった．八井氏は 1995 ～ 2000 年に東京工業大学大学院

2015 年にイノバステラ社を設立以降，ナノヒーター ®

総合理工学研究科の大津研究室にて近接場光の研究を行っの試作に本格的に取り組んだ．この第 2 フェーズのナノて学位を取得し，2008 ～ 2020 年は東京大学大学院工学

ヒーター ® 素子共同開発における産官学・日米連携チー系研究科の准教授として東大の微細加工 PF を利用した研ム構成を，図 5 に示した．イノバステラ社が素子設計とビ究を推進，2020 年 4 月から豊橋技術科学大学の教授とな

ジネス推進，国立研究開発法人 情報通信研究機構（NICT）

り，現在にいたるまで近接場光の研究に取り組んでいる．

が GaAs 基板作製・レーザー評価 [9]，豊橋技術科学大学

図 6 は，近接場光が回折限界の光スポットより小さくな

がナノフォトニクス理論 [10][11][12]，福岡工業大学がシることを描いている．図 6 左側に描いたように，光学（共ミュレーション・素子設計 [13]，ナノフォトニクス工学推焦点）顕微鏡や光ディスクプレーヤーでは，光ビームをレ進機構（NPEO）が素子の試作，東大の微細加工 PF が加ンズで絞って観察試料や光ディスク上に集光している．集工技術開発・支援，Carnegie Mellon Univ. の DSSC（Data

光スポットの大きさは，光が電磁波であるために，無限にStorage Systems Center）が実証・評価 [14]，という国際

小さくはできない．光の波長で決まる ” 回折限界 ” までし共同開発体制である．豊橋技術科学大学の八井氏とイノバ

か，絞り込めない．顕微鏡の分解能は，光が波動であるゆステラ社の杉浦氏は NPEO の理事を併任しており，NPEO

えの回折限界で制限される．光ディスクで記録できる情報の井上氏・橋本氏・望月氏が試作の実行部隊を担った．

容量を増やすには，CD から DVD へ，さらにはブルーレイ

スタートアップのベンチャー企業では，開発資金を努力

ディスクへ，より波長の短い半導体レーザーを使うことでして調達したとしても，デバイス開発を自社のみで実行

回折限界の光スポット径を小さくした．図 6 右側は，
光ファすることは不可能である．東大の微細加工 PF に研究室をイバーの先端を尖らせて周囲を金属でコートし，先端の微置かせてもらい，技術支援スタッフの方々にプロセスパラ

小開口から光が僅かに漏れ出す様子を描いている．開口径

メーターの設定他，色々と指導を受けながら，2019 年には光の波長より小さく，点線で示した回折限界光の波面のは図 4 右端に掲載したナノヒーター ® サンプルを作製で広がりより小さい．この漏れ光を，近接場光と呼んでいる．

きるまでになった．しかし，2020 年に新型コロナウイル

この近接場光は，回折限界の光スポット径よりもずっと小ス感染症の流行により全国の PF 施設が一次閉鎖された他，

さく，開口径で決まるサイズまで小さくできるので，将来米国との往来もストップし，「進捗が滞留していることがの光ディスクや，次世代の熱アシスト磁気記録 HDD 向け残念」と栗山氏は語った．

の微小光熱源として応用できるのでは，という期待が高NanotechJapan Bulletin Vol. 14, No. 1, 2021

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6

近接場光（右）は回折限界の光スポット（左）より小さい．

まった．

（HE11 モード）である．しかし，この XY 偏波の光は，光

しかし，光ファイバー先端の微小開口から漏れ出る近接ファイバーの先端までは到達しない伝搬モードであること

場光スポット径は小さいものの，ファイバーに入力した光が分かった（図 7 左下の青色で示した HE11 の光強度分布）．

－5程しか漏れ出ない，すなわち伝達効率が極めて低

図 7 左上は分散曲線の計算結果で，横軸のコア径に対しいことが問題であった．ディスク上への光量が少ないと，て，縦軸は透過屈折率の実部（左側）と虚部（右側）であ

記録媒体の温度上昇が十分ではなく，記録速度を速くする

る．青色の 2 本の曲線が HE11 モード（横偏波），赤色の 2ことができない．八井氏は大学院の院生時代から，この課本の曲線が縦偏波（Z 偏波）の HE-plasmon モードである．

題「何故，伝達効率が悪いのか？どうしたら，伝達効率をプラズモンは金属中の電子の集団振動であり，光が金属に向上させることができるか？」に取り組んできた．

照射されると表面にプラズモンが励起される．この表面プの 10

図 7 は，金属コート光ファイバー先端での光の伝搬を理

ラズモンをファイバーコア表面で励起しながら伝搬するの論計算で検討した結果である．図 7 左下に描いたように，が HE-plasmon モードであり，図 7 右中段に示したコア径

光ファイバー先端を尖らせ，黄緑色で示した光ファイバー

D=3µm での光強度分布のように，コアと金属との境界に光が集中している．一方，青色の HE11 モード（XY 横偏波）

コア表面を金コートし，右側からレーザー光を入射させる．入射部の光ファイバー内では，レーザー光はコア中心で光強度が最大となるガウシアン強度分布で伝搬する．こはコア径 D=3µm での光強度分布はガウシアンであるが，ファイバー先端に向かうにしたがって透過屈折率の虚部はの光ビームの振動電場は伝搬方向に垂直な XY 偏波の横波

急激に大きくなって吸収され，コア径＜ 500nm より先に

図7

金属コート光ファイバー先端での光の伝搬．HE11：XY 偏波，HE-plasmon：Z 偏波

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は光がない．HE-plasmon モード（縦波の Z 偏波）は，分

イノバステラ社の創業に加わった．近接場光デバイスに関散曲線の図で分かるように，コア径＜ 500nm より先にもして，数多くの特許を発明しており，ナノヒーター ® 素

伝搬している．したがって，効率を上げるには Z 偏波の表子技術開発の中心人物である．

面プラズモンモードを励起伝搬させる方が有利である．
次の課題は，Z 偏波の HE-plasmon モードへ，ファイバー
入射部の XY 偏波の HE11 モードから如何にしてモード変換させるか，である．先ず，ファイバー先端を徐々にでは

４．１
課題

ナノヒーター ® 素子の特徴と試作目標，技術なく急激に先鋭化することで，伝達効率を 1％まで向上さ

ナノヒーター ® 素子の全体構造は，
既に図 3 右に示した．

せた [10]．効率 10 － 5 程から 10 － 2 へ，一気に 1000 倍のナノヒーター ® 素子の要素であるリングレーザーと金ニー

効率改善である．さらに，Si のピラミッド状プローブに金ドルについて，試作素子の目標サイズ例を，図 8 左に示す．

コートすることで，85nm の微小スポットへ伝達効率 2.5%

この素子構造は，以下の特徴を持つ；まで高めた [11]．Si ピラミッド状プローブへの金コートに，
微小スリット開口を開けることで，効率を 10％まで改善①リングレーザーの側面から Z 偏波の近接場光で金した [12]．

ニードルへ光結合し，高効率である．

今回受賞したナノヒーター ® 素子の基本構造は，上述したナノフォトニクス理論と効率改善実験結果を土台にし②リングレーザーと金ニードルを，半導体プロセス
でモノリシック集積し，量産化し易い．

て，さらに発展させて設計したものである．ナノヒーター® 素子では，リングレーザーの側面から金ニードルへ近接場光で取り出し，金ニードル先端から近接場光スポットをしかし，実際にこの構造のナノヒーター ® を作製しようとすると，

得ている．リングレーザー内部のレーザー発振光は XY 偏波の横波であるが，金ニードル側から見るとその偏波方向（a）リングレーザー壁面をエッチング加工しても，は金ニードル伝搬方向の Z 偏波である．すなわち，リング

壁面がギザギザでレーザー発振しない．

レーザー内の XY 偏波（横波）から，金ニードル内の Z 偏（b）金ニードルをリングレーザー側面から 30nm 程波（縦波）にモード変換して，金ニードル中を 1 次元的に度に近接配置し，かつ量子ドット活性層の位置に合プラズモンを励起しながら縦波で伝搬し，金ニードル先端

わせて，直径 100nm 以下・長さ 1µm の金ニードル

から出る近接場光への伝達効率を上げている．

を作製するのが困難，という課題に直面した．そこで，図 8 右に示すように，（a）４．ナノヒーター ® 素子の試作開発と，
東大微細加工 PF の支援貢献の課題にたいしては光損失なく発振するように，リング外壁・内壁の反射面を平滑に作り，（b）の課題に対しては量子ドット活性層との位置に合わせも考慮して加工・設置す

今回の受賞対象となったナノヒーター ® 素子の試作と，る，という 2 つの加工プロセス技術課題にポイントを絞り，

東京大学微細加工 PF を利用することで初めて可能となっ

東大微細加工 PF の支援スタッフの協力の下，
ナノヒーター

た加工プロセス技術について，イノバステラ社の CTO で® 素子の試作開発を進めた．４．
２節と４．
３節に両課題へある杉浦氏を中心に，技術内容を伺った．杉浦氏もパイオの対応を説明する．

ニア社で光ディスクの開発に長年従事し，栗山氏とともに

図8

ナノヒーター ® 素子のサイズ例（左）と、加工プロセス技術の開発課題（右）NanotechJapan Bulletin Vol. 14, No. 1, 2021

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 -7

４．２ リングレーザーの試作，レーザー壁面のエッチング加工技術の均質な層へのエッチングと同様には加工できないと考え

リングレーザーのリング共振器構造を東大 PF で加工すなる）のような，ギザギザしたリング壁面になってしまう．

る前に，情報通信研究機構（NICT）に量子ドット活性層

られる．色々とエッチング条件を振って試みたが，図 10
下段の 2 枚の SEM（走査型電子顕微鏡）写真（倍率は異
きれいな壁面は作れないのでは，と降参しかけていた．

を含む GaAs 基板を作製してもらった．量子ドット（QD）

そのような状況下で，東大 PF の支援スタッフが協力しレーザーは，電気から光への変換効率が高く，消費電力がて，ICP エッチング装置のガス量・ガス圧力・高周波パワー

少なくて済む．また，エネルギー準位が量子化されているの 3 つのパラメーターを最適化していった．図 10 右の 4ので，温度依存性が殆どないという特徴がある．NICT では，枚の電顕写真が示すように，最上段から最下段へと，徐々光通信向けに量子ドット層を 100 層以上多層化し，結晶にきれいなリング壁面をエッチングできるようになった．

の歪を制御する技術で自己組織化量子ドットを安定して作支援した水島氏は語る：「プラズマのパラメーターを最適製する技術を開発してきた [9]．MBE（分子線エピタキシー）

化するにあたり，探索をどのあたりからスタートするか，装置を使用して，工業的に容易く短時間で，かつ歩留まり

探索開始点がポイントになる．これまでに様々な利用者が，的にも問題なく作製できるということで，NICT に量子ドッ

異なる物質に対してエッチングした支援経験があるので，トレーザーの GaAs 基板を作製してもらった．

勘がはたらく．1 年弱かけて，きれいなリング壁面がエッ図 9 が，量子ドット層を活性層とするリングレーザー

チングでき，レーザー発振するようになった．
」の GaAs 基板である．左上に基板の積層構造断面図を示す．

PF マネージャーの三田氏は，「PF では，色々なユーザー

朱色の量子ドット（InAs）を青色の GaAs の上に規則的にが色々な試作で１つの装置をシェアして使用している．PF

配列，多層化した層が，レーザー活性層である．上段中央の支援技術者は，それらを技術面で横串を刺して見ているは，量子ドットの多層断面の電子顕微鏡写真，上段右は量ので，過去の失敗や成功した経験の記憶を沢山蓄積してい子ドット層の AFM（原子間力顕微鏡）像である．量子ドッ

る．過去の支援を通じて拠点に蓄積されているマテリアル

ト層は，上下を AlGaAs のクラッド層で挟んで，光は面内

データ，マテリアルプロセスデータ，データコンバージョに閉じ込められる．この構成の GaAs 基板を，東大微細加ンに関するノウハウを供与し，プロセス開発を行った．今工 PF にて，リング状にエッチング加工してリング共振器

回も，PF の過去の蓄積を持つ優秀な支援技術者のノウハを作製した．

ウが活かされた．今後，PF の DX 化（デジタルトランス

東大微細加工 PF の ICP（誘導結合プラズマ）汎用エッフォーメイション）に向けて，そうしたノウハウをどのよ

チング装置を使用して，リング共振器構造をエッチング加うに数値化していくか，難しい課題であるが取り組んでい工した．しかし開発当初は，きれいなリング壁面を作れなきたい」と意気込みを語った．

かった．図 10 上段中央の SEM 写真のように，量子ドッ

図 11 は，リングレーザー発振した試作素子の評価結果

ト層の上下でエッチング面が大きく乱れてしまう．これは，である．図 11 左が，リングレーザーの SEM 像で上からGaAs 中の InAs 量子ドット層，AlGaAs のクラッド層などと斜め上から視たもので，リング外径 20µm，内径 10µmと，小さなリングの例である．図 11 中央上段の写真にあ物性が異なる多層構造に対してエッチングするので，単一

図9

NICT による量子ドット層を活性層とするリングレーザー GaAs 基板作製

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図 10

図 11

リングレーザー側面のエッチング加工技術の進展

試作したリングレーザーの SEM 像（左），波長スペクトルと電流・光出力（右）るように，リングへの電流注入は金プローブをリング上

れば近接場光スポット径を小さくできるわけではない．ま面の金電極にコンタクトして，1kHz，Duty 5% のパルス

た，金ニードルの場合は短波長にすると，光損失が増える

電流で駆動，レーザー光は上面からの漏れ光を検出してので，好ましくない．

評価した．図 11 右上段は波長スペクトルで，緑色で示し

リングレーザーの発振光を測定することは，理想的なた 1050nm の狭スペクトルがレーザー発振光，幅広いス

レーザーになるほど共振器外に光は漏れてこないので難し

ペクトルはリング壁面が良好でない時の LED 発光である．

くなる．共振器からの僅かな漏れ光を，評価することにな

図 11 右下段の電流－光出力特性は，LED 発光しかしな

る．同一の GaAs 基板上に複数個のリングレーザー共振器

いリングの場合，閾値電流 9.8mA のリングレーザーの場

を作製し，歩留まり略 100% でレーザー発振することを確合，さらにリングのエッチング壁面を改善して閾値電流が認している．

6.6mA まで下がったリングレーザーの測定結果である．
レーザー発振波長の 1050nm は，化合物半導体の量子ドットとして作りやすい波長だったことによる．レーザー
光をレンズで集光する場合は，短波長にするほど光スポッ

４．３ 金ニードルをリングレーザー側面へ近接して加工する技術ト径は小さく絞ることができる．しかし，近接場光の場合

金ニードルの加工技術の詳細を述べる前に，どのようなは，光スポット径は光をガイドする針先の形状や針先から金ニードルを作るべきかについて，福岡工業大学の片山氏の距離で決まる．したがって，レーザー波長を短波長化すのシミュレーション結果を紹介する [13]．

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図 12 左は，リングレーザー共振器内の光の電場分布のPF で試作した．図 13 は，様々な寸法の金ニードルをリン

シミュレーション結果である．リングに沿って，周期的グレーザー側面に近接して作製した例である．図 13 左上

な定在波になってレーザー発振している．赤色の丸で囲ん

は，直径 Φ120nm，長さ（高さ）h600nm の金ニードル，だ部分を拡大したのが，図 12 中央の金ニードル周辺の光

左下は Φ140nm，h1100nm と長さ（高さ）を優先して作の電場分布シミュレーション結果である．金ニードル径
は 50nm で，左側のリングレーザー側面に対向する面は製，中央下は Φ60nm，h254nm と細さを優先して作製，などである．また，右上の写真は，リングレーザー側面かフラット，右側の磁気記録媒体に対向する面は曲面にしてら 30nm のギャップを隔てて金ニードルを作製した例である．リングレーザーから金ニードルへは，Z 偏波の光である．

近接場光結合し，金ニードルの右先端から近接場光が磁気

金ニードルの加工は量産時には，リングレーザー共振器

記録媒体に照射される．金ニードルの内部に光は殆どなの加工と同時にエッチングで行うが，今回のナノヒーター

く，熱損失が殆どないので，エネルギー利用効率が高い構® 機能検証のための試作では，FIB（集束イオンビーム）

成であることが分かる．図 12 右は，記録媒体上での近接装置を使用して加工した．図 13 上段中央の写真や断面構

場光スポットの光強度分布をシミュレーションした結果で造図にあるように，リングレーザーの側面高さは 4µm あ

ある．光スポットの全半値幅は 25nm で，金ニードル径の 50％程度に縮小した微小加熱領域になっている．金ニー

り，金の電極から 1.8µm 下がった QD 層の高さに金ニードルを立てる必要がある．この QD 層の高さ位置に合わせ

ドルの形状や，リングレーザーと金ニードルのギャップほて，金ニードルを作製することは難しく，SEM を用いたか，パラメーターを振って検討している．

QD 層の観測と発光状態の観察で，QD 層に対する金ニー

実際に，このような微細な金ニードルを，リングレーザーの側面に近接して作ることができるのか，東大の微細加工

図 12ドルの作製位置を定めた．
2019 年には，試作したリングレーザー＋金ニードル構

リングレーザー電場，金ニードル電場，スポット径のシミュレーション結果 [13]図 13

NanotechJapan Bulletin Vol. 14, No. 1, 2021

金ニードルをリングレーザー側面に近接して加工した例

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 -10

成のナノヒーター ® 素子を動作測定用基板に搭載して，下の写真は NFT からの電流出力，左下のデータは電流の

図 4 右端の写真に示したナノヒーター ® サンプルとして，

周波数スペクトル観測状況の写真である．これらの結果か

外 部 評 価 に 提 供 で き る よ う に な っ た．Carnegie Mellon

ら，リングレーザーと NFT が良好に近接場光結合していUniv. にナノヒーター ® サンプルを持ち込んで評価した結ることを確認した．

果について，次節で紹介する．

Carnegie Mellon Univ. では，ナノヒーター ® の金ニー
ドル形状を AFM で評価したり，金ニードルからの近接場

４．４
評価

Carnegie Mellon Univ. で の ナ ノ ヒ ー タ ー ®

光スポットを評価する実験準備をしていたが，新型コロナ
ウイルス感染が米国でも流行したため，作業が中断している．

米 国 Carnegie Mellon Univ. の DSSC（Data Storage
Systems Center）は，磁気ディスク記録や固体メモリ技術など情報ストレージ分野で世界をリードする研究センター
である [14]．熱アシスト磁気記録についても，Professor

５．今後の展開の James A. Bain を中心に，活発に研究している．世界の熱アシスト磁気記録用の微小光熱源となるナノヒーター

主要 HDD メーカが DSSC のスポンサーになっていて，イ® 素子を，東京大学の微細加工 PF にてプロトタイプ試作ノバステラ社もスポンサーとして DSSC から技術動向・業を行い，動作確認と作製方法を確立した．今後は，磁気ヘッ

界動向を把握している．

ドとナノヒーター ® を集積一体化した磁気光ヘッドをヘッ

図 14 は，Bain 教授の実験室でナノヒーター ® を評価

ドメーカーと組んで量産化し，熱アシスト磁気記録 HDDした結果である．測定に用いたナノヒーター ® サンプの実用化につなげていく．日本の半導体産業に，ナノヒー

ルは，上段中央や上段右の写真のようにリングレーザー

ター ® 集積磁気ヘッドという新しい事業を起こすことにか ら 50nm 離 し て 金 ニ ー ド ル 相 当 の NFT（Near-Field

なる．HDD の記録密度を 10 倍以上向上させる熱アシスト

Transducer）を配置し，測定のために NFT は 100µm 程の長さにしている．このサンプルでは，リングレーザー共磁気記録を実用化すると，データーセンターでの情報記録

振器と金の NFT は，エッチングで同時に作製した．NFT

消費量の急増を抑制できる．電力削減は，世界の環境問題には 3 本のリード線を接続して，長さに応じて電流が測に寄与することになる．そうした大きな夢を，是非実現し定できるようにしている．この測定系で，3ω 法と呼ばれたいと考えている．

ている熱評価手法を実施した．リングレーザーを周波数 ωで駆動し，レーザー光が近接場結合して NFT に伝搬すれば，拓していきたい．バイオ・医学分野やナノ領域観察向け光

NFT で電流の 3ω 成分が検出されるはずである．左上の写真はリングレーザー発振光の波長スペクトル観測状況，右

図 14NanotechJapan Bulletin Vol. 14, No. 1, 2021

量の急増に応えるだけでなく，データーセンターでの電力

また，HDD 以外の新分野へのナノヒーター応用も，開源などへの応用を，模索中である．

Carnegie Mellon Univ. でのナノヒーター ® 評価

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 -11

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slit-shaped pyramidal Si probe with extremely highの開発～ コニカミノルタ株式会社 生産本部 生産イ

resolution for 1.5-Tbit/in2 density near-field optical

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html

世界で初めて成功 ” （2010 年 8 月 24 日）；https://www.nedo.go.jp/content/100080286.pdf

図は，東京大学の三田氏（第 1 章）
，イノバステラ社の栗[8] K. Kuriyama, M. J. Chabalko, Y. Kong, Y. Luo,

山氏（第 2 章），豊橋技術科学大学の八井氏（第 3 章），

T. E. Schlesinger and J. A. Bain, "Modeling of

イノバステラ社・NPEO の杉浦氏（第 4 章）から提供された．

Polarization Effects in Au Nanodots Excited With
InAs Quantum Dot Emitters for Use as a HAMR Heat

（尾島 正啓）【お問い合わせ】
微細加工プラットフォーム
東京大学 超微細リソグラフィー・ナノ計測拠点☎ 03-5841-1506
E-mail nanotech@sogo.t.u-tokyo.ac.jp

ホームページ
http://nanotechnet.t.u-tokyo.ac.jp/

NanotechJapan Bulletin Vol. 14, No. 1, 2021

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