【公開日：2025.07.02】【最終更新日：2025.05.07】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

22KT1207

利用課題名 / Title

強誘電体と窒化物半導体を用いた横型擬似位相整合スクイーザ

利用した実施機関 / Support Institute

京都大学 / Kyoto Univ.

機関外・機関内の利用 / External or Internal Use

外部利用/External Use

技術領域 / Technology Area

【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）-

【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions（副 / Sub）マルチマテリアル化技術・次世代高分子マテリアル/Multi-material technologies / Next-generation high-molecular materials

キーワード / Keywords

強誘電体,窒化物半導体,波長変換,膜加工・エッチング/Film processing and Etching,フォトニクス/ Photonics

利用者と利用形態 / User and Support Type

利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)

片山 竜二

所属名 / Affiliation

大阪大学　大学院工学研究科

共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes

野呂諒介

ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes

河野恵子

利用形態 / Support Type

（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-

利用した主な設備 / Equipment Used in This Project

KT-252：ICP-RIE装置

報告書データ / Report

概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)

励起レーザや位相変調器と集積可能かつ高効率スクイーザの実現にはレーザ媒質であるGaN等の窒化物半導体と非線形光学係数の大きいMgO添加LiNbO₃（MgO:CLN）等を組み合わせた光デバイスが必要である。また、導波路構造を採用することで光パワー密度を上げ、デバイスの高効率化をすることができる。そのために、MgO:CLNをエッチングしなければならない。本課題では桂キャンパスCRに設置の誘導結合型反応性ドライエッチング装置（ICP-RIE、ULVAC、NE-730）を用いてMgO:CLNのエッチング条件の最適化を行った。

実験 / Experimental

MgO:CLN上にEBリソグラフィにより導波路マスクを形成し、ICP-RI（KT-252）でエッチングを行った。このとき、RIE中のエッチングガスを様々に変えた。まずはEBレジストとMgO:CLNの選択性が比較的高くなるC₄F₈/Ar混合ガスを用いた[1]。C₄F₈流量5.2 sccm、Ar流量50 sccm、アンテナパワー700 W、バイアスパワー50 W、エッチング時間20分でICP-RIEを行った。エッチング後、試料をアセトンで超音波洗浄することでEBレジストマスクを除去した。次に、エッチングガスをArのみとしてMgO:CLNのICP-RIEを行った[2]。また、用いるマスクの種類をEBレジストだけでなく、フォトレジスト、SiO₂、Niとした。このときのICP-RIE条件はAr流量20 sccm、アンテナパワー100 W、バイアスパワー70 W、チャンバ圧力0.27 Paとした。Niマスクでは20分、その他のマスクでは40分のエッチングを行った。エッチング後、EBレジストマスクとフォトマスクはアセトンで超音波洗浄することで除去し、Niマスクは塩酸でエッチングすることで除去した。

結果と考察 / Results and Discussion

C₄F₈/Ar混合ガスを用いたときのエッチング結果を図1に示す。EBレジストマスクの形状を引き継いではいたものの、表面がかなり荒れていた。原因を明らかにするためにSEM-EDX測定を行うと、Fが全体的に検出された。この結果よりLiFが再堆積していることが分かった[3]。エッチングガスとしてArのみを用いた時のエッチング結果を図2に示す。EBレジストマスク（図2 左上(a)）では、導波路上部に黒い部分が見えた。フォトマスク（図2 右上(b)）では導波路の周囲に堆積物がみられた。これはLiNbO₃が再堆積したもの[2]だと思われる。再堆積したLiNbO₃をNH₄OH、H₂O₂、H₂Oの混合溶液で除去した[1]。結果を図3に示す。LiNbO₃を除去しても、導波路側壁が荒れていることが分かった。SiO₂マスク（図2 左下(c)）では導波路上部に粒々が見えたが、導波路以外の部分では見られなかった。Niマスク（図2 右下(d)）では導波路の端に再堆積物がみられたがその他の箇所では見られなかった。Niマスクでは導波路上面の荒れが少なかったため、今後のデバイス作製プロセスにはNiマスクを採用することにした。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

図1 C₄F₈/Ar混合ガスを用いたときのICP-RIE結果

図2 エッチングガスとしてArのみを用いたときのICP-RIE結果：左上(a):EBレジストマスク、右上(b):フォトレジストマスク、左下(c):SiO₂マスク、右下(d)：Niマスク

図3 フォトレジストマスクにおける堆積物除去後のSEM鳥観図

その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)

[参考文献]
[1] T. Umeki et al., IEEE J. Quantum Electron. 46, 1206 (2010).
[2] G. Ulliac et al., Opt. Meter. 53, 1 (2016).
[3] D. Zhu et al., Adv. Opt. Photonics 13, 242 (2021).

成果発表・成果利用 / Publication and Patents

論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)

口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.

1. 野呂諒介, 上向井正裕, 谷川智之, 片山竜二, 「高効率スクイーズド光発生に向けたMgO:CLN/GaN横型擬似位相整合導波路波長変換デバイスの作製」 レーザー学会学術講演会第43回年次大会, F03-19p-XII-02, ウインクあいち, 2023年1月.

特許 / Patents

特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件