利用報告書 / User's Reports | ARIM Japan公式ホームページ

【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.05.07】

課題データ / Project Data

課題番号 / Project Issue Number

24NM0017

利用課題名 / Title

希土類ドープ窒化ガリウムへのフォトニック結晶構造形成3

利用した実施機関 / Support Institute

物質・材料研究機構 / NIMS

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）-

キーワード / Keywords

CVD,フォトニクス/ Photonics,蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,スパッタリング/ Sputtering,膜加工・エッチング/ Film processing/etching

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)

佐藤真一郎

所属名 / Affiliation

量子科学技術研究開発機構高崎量子技術基盤研究所量子機能創製研究センター

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

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

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

NM-605：水蒸気プラズマ洗浄装置 [AQ-500 #1]
NM-633：SiO2プラズマCVD装置 [PD-220NL]
NM-662：低ダメージ精密エッチング装置 [Spica]
NM-663：分光エリプソメーター [UNECS-2000A]
NM-608：スパッタ装置 [JSP-8000]

報告書データ / Report

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

窒化ガリウム(GaN)半導体にドープされたネオジム(Nd)は、線幅の狭い安定した近赤外の発光を示すため、室温動作する単一光子源への応用が期待できるが、発光レートの改善が課題となる。本研究では、イオン注入したNdの自発放出レートをフォトニック結晶(PhC)との光学カップリングにより向上させる試みを行っており、室温での単一希土類からの単一光子発生の観測を目指している。

実験 / Experimental

シリコン (Si) 基板上 GaN (300 nmt) に400 nmφのホールを形成したイオン注入マスクを形成し、その上からNdをイオン注入（100 keV, 3×10¹² cm^-2）することで、150 nmφのNd注入領域を形成した。その後、 SiO₂ハードマスクを約 100 nm 積層し、高速熱処理(1200℃, 2分)によりNdを活性化させた。続いて、電子ビーム描画装置を用いて形成したPhC-L3共振器のパターンを400 nmφNd注入領域と重ね合わせ、RIE ドライエッチング(CHF3, 3.0 Pa, 100 W, 5分)によってSiO₂層に転写し、さらにICPドライエッチング(BCl₃:Cl₂=1:4, 0.5 Pa, 50 W, 3.5分)によって GaNに転写した。最後に、RIEドライエッチング(SF₆, 5.0 Pa, 50 W, 25 min)によってSi基板をエッチングし、エアギャップ構造を形成した。得られたL3共振器中央部に存在するNdの室温での発光スペクトルを、通常のNd発光スペクトルと比較した。また、発光遷移寿命の変化を調べた。

結果と考察 / Results and Discussion

PhC-L3共振器中央にイオン注入したNdの916 nm発光と1107 nmの室温での発光をそれぞれ増強させることに成功した。同じ設計値のPhC-L3共振器を複数作成したところ、発光増強率や発光遷移寿命の減少にはばらつきがあったが、発光スペクトルの線幅から得られるQ値と発光遷移寿命の減少率の関係をプロットしたところ（図参照）、良い相関を示していることがわかり、Ndの発光増強が確かにPhC-L3共振器との結合によるパーセル効果（自発放出レートの上昇）に基づくものであることを明らかにした。Q値のばらつきは、ホール径のばらつきや真円の不完全性に起因していると考えられるため、プロセスの改善が必要であることがわかった。今後は、それらを改善するとともに、構造のゆらぎに対してQ値の低下が少ないロバストな共振器を見出し、さらなる高Q値化を目指す。

図・表・数式 / Figures, Tables and Equations

12個作製したPhC-L3共振器のQ値と、共振したNdイオンの発光遷移寿命の関係。縦軸は通常のNdと共振器中のNdの発光遷移寿命の比率で表している。青線は切片が1の線形フィットであり、発光遷移寿命の変化がパーセル効果に起因する場合は青線のような関係性となる。

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

NIMS 津谷大樹様、渡辺英一郎様、大里啓孝様、河野久雄様、吉田美沙様、簑原郁乃様に感謝申し上げます。いつも的確な技術サポートをしていただきありがとうございます。

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)

Shin-ichiro Sato, Room temperature optical coupling of neodymium ions to photonic crystal L3 cavity in gallium nitride semiconductor, Applied Physics Express, 17, 072001(2024).
DOI: https://doi.org/10.35848/1882-0786/ad5bbd

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

Shin-ichiro Sato, "Optical coupling with nanostructures to enhance photon emissions from Lanthanoid ions implanted in GaN," 3rd International Workshop of Spin/Quantum Materials and Devices (IWSQMD2024), Nov. 5, 2024, Sendai, Japan (Invited oral).

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