【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.02】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24OS1038
利用課題名 / Title
微細加工半導体光デバイスの開発と光物性評価に関する研究
利用した実施機関 / Support Institute
大阪大学 / Osaka Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者以外）/Internal Use (by non ARIM members)
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）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
光デバイス/ Optical Device,フォトニクスデバイス/ Nanophotonics device,メタマテリアル/ Metamaterial
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)
市川 修平
所属名 / Affiliation
大阪大学大学院工学研究科 電気電子情報通信工学専攻
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
村田 雄生,田口 遥平,登尾 尚紀,辻畑 拓己
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
近田 和美,村山 さなえ
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
OS-104：自動搬送電子ビーム描画装置
OS-111：リアクティブイオンエッチング装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
偏光をはじめとした、光の状態を制御した発光・受光素子は、3Ｄテレビ、光情報通信、センサーなど、様々な分野への応用が可能である。一方で、同一半導体材料で直線偏光や円偏光等を制御でき、かつ外部光学素子が不要な(集積化が可能な)高効率な偏光デバイスは実現されておらず、上記の社会実装もなされていない現状にある。本研究では、歪・光波エンジニアリングに立脚した複合的アプローチを駆使することで上記課題を打開し、偏光状態制御を含めた、新機能光デバイスを実現することを主眼として研究を推進する。とくに電子線描画装置やRIEを使用させていただくことで、微細な光学的周期構造等を作製し、光の状態を制御した新しい半導体光デバイスの作製を試みた。
実験 / Experimental
今年度は、波長410 nm付近で発光するInGaN系LED構造の出射面へのメタサーフェス加工により、円偏光素子を実現すること目指して研究を推進した。従来の(0001)とは異なる結晶面である(20-21)上にLED構造を作製することで、直線偏光を実現し、LED出射面に1/4波長板として動作するメタサーフェス構造を作製することでの高効率円偏光変換を試みた。とくにLED出射面全域での加工を想定し、電子線描画装置[自動搬送電子ビーム描画装置（150kV BODEN）]を利用して、比較的大面積(数百μm～mmオーダー)に、ナノメートルスケールの微細加工を施した。この際、光の損失を避ける目的で近紫外～可視光域で透明な材料に対して微細周期加工を行うために、GaNおよびSi3N4薄膜に対して微細パターンを施した。とくに、Si3N4薄膜に対しては、フッ素系ガスプラズマRIEによるエッチングによる素子加工が可能であることから、RIE装置[リアクティブイオンエッチング装置（10NR）]を利用してストライプパターンの作製を行った。
結果と考察 / Results and Discussion
(20-21)GaNテンプレート上に作製したInGaN/GaN量子井戸ベースの直線偏光青色発光LEDの出射面にSi3N4薄膜のナノストライプパターンを作製した。電子線描画およびエッチング処理にょり、GaNの[11-20]方向に対して44°傾斜した角度でSi3N4/Air (125 nm/75 nm)の周期構造を作製した(設計時点では45°傾斜)。作製プロセスと実作後の走査型電子顕微鏡像を図1に示す。図の解析結果より、実際の設計値に対して少なからず作製誤差が生じていることが分かったが、概ね試料前面にわたってのメタサーフェス加工が施されていることが分かる。さらに実際に、LEDからの出射光に対して本ストライプ構造を通過時に、直線偏光から円偏光へと変換されることを確認し(図2、円偏光度0.27)、新機能デバイスとして動作し得ることを実証できた。今後、描画条件の再考を進めることで、円偏光度の向上や新たな形状のメタサーフェスによる円偏光素子の実現に向けて研究を続行する予定である。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1: (20-21) InGaN/GaN量子井戸LED構造上へのメタサーフェス構造の作製
図2: (20-21) InGaN/GaN量子井戸LEDからの円偏光発光
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
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.
- Y. Murata, S. Ichikawa, S. Toda, Y. Fujiwara, and K. Kojima, "Circularly polarized light emission from (20-21) InGaN quantum wells coupled with Si3N4 stripe-shaped metasurface'', The 12th International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN2024), 376, Hawai'i, USA (Nov. 2024).
- Y. Taguchi, K. Suzuki, Y. Murata, S. Toda, S. Ichikawa, and K. Kojima, "Design proposal of pure circularly polarized emitters using (0001) InGaN LEDs with GaN nanopillar metasurface'', The 12th International Workshop on Nitride Semiconductors (IWN2024), 399, Hawai'i, USA (Nov. 2024).
- 村田 雄生, 市川 修平, 戸田 晋太郎, 藤原 康文, 小島 一信, "円偏光InGaN LED構造の作製と特性評価'', 第85回応用物理学会秋季学術講演会, 20a-A24-8, 朱鷺メッセ他 (Sep. 2024).
- 田口 遥平, 村田 雄生, 戸田 晋太郎, 市川 修平, 小島 一信, "円偏光選択性ナノピラー対メタサーフェスの最適構造設計'', 第85回応用物理学会秋季学術講演会, 19p-A33-7, 朱鷺メッセ他 (Sep. 2024).
- 市川 修平, 村田 雄生, 田口 遥平, 戸田 晋太郎, 小島 一信, [invited] "メタサーフェス一体型InGaN円偏光デバイスの設計と作製'', Optics & Photonics Japan (OPJ2024), 30pMS2, 電気通信大学 (Nov 2024).
- 村田 雄生, 市川 修平, 戸田 晋太郎, 藤原 康文, 小島 一信, [invited] "[第57回講演奨励賞受賞記念講演] ストライプ型メタサーフェスを用いた円偏光InGaN LED構造の作製'', 第72回応用物理学会春季学術講演会, 14p-K401-2, 東京理科大学野田キャンパス (Mar. 2025).
- 田口 遥平, 村田 雄生, 市川 修平, 田畑 博史, 戸田 晋太郎, 小島 一信, "LEDに実装可能なメタ表面を用いた円偏光選択性コリメータの設計'', 第72回応用物理学会春季学術講演会, 15a-K506-2, 東京理科大学野田キャンパス (Mar. 2025).
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：1件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件