第2高調波発生(second-harmonic generation:SHG)、差周波発生(difference frequency generation:DFG)および光パラメトリック増幅(optical parametric amp1ification:OPA)などの2次非線形光学を用いた波長変換は、現在得ることの出来ない波長領域のコヒーレント光源を得る為の有力な手段である。これまで波長変換素子材料として専ら注目を浴びてきたのはLiNbO₃等の強誘電体材料であるが、本研究では化合物半導体に注目して研究を進めてきた。GaAs等の化合物半導体は波長変換素子材料として非常に優れた特性を持つ。まず、大きな2次非線形性であり、例えばGaAsの2次非線形光学定数は、基本波波長1.064mにおいてd₃₆(GaAs)＝170pm/Vと巨大である。また、半導体材料にはこれまでに培われてきた結晶成長技術およびプロセス技術の膨大な蓄積があり、素子開発においてそれらを駆使することが出来る上、最終的に波長変換素子と半導体レーザとのモノリシック集積化が実現すれば、全く新しいタイプのコンパクトな波長可変コヒーレント光源の作製も可能となるのである。しかし、化合物半導体は光学的に等方的であり、高効率な波長変換に不可欠である位相整合条件を既存の複屈折を利用する手法で達成することができない(これを理由に化合物半導体は素子材料として注目されて来なかったのである)。この問題は位相不整合量を人為的周期構造を用いて補償する疑似位相整合(quasi phase matching:QPM)法を用いることで解決できる。この時、化合物半導体の非線形性を最大限に利用するには、周期的に2次非線形光学定数の符号を反転させる(結晶を空間反転させる)周期的分極反転構造を用いたQPMを実現させる必要がある。ここでカギとなるのは、いかにして半導体結晶中に周期的分極反転構造を作製するかである。これまでに、ウェハーボンディングを用いた手法が提案され素子作製にまで至っているが、この手法では、不可避な結晶性の劣下が生じるため素子効率を上げられないという欠点がある。本研究では、より高効率な素子を作製するために、独自に「化合物半導体副格子交換エピタキシーエピタキシーという手法を提案し研究を進めてきた。

　図1に副格子交換エピタキシーの最もシンプルなモデルを示す。GaAs等の多くの化合物半導体がとる閃亜鉛鉱構造は2種類の原子(例えばGaとAs)がそれぞれ占有する2つ副格子から構成されており、結晶の空間反転操作はこの2種類の副格子を占める原子種を入れ換える(GaとAsのサイトを入れ換える)ことと等価である。我々の提案する副格子交換エピタキシー法は、GaAs等のIII-V族化合物半導体のエピタクシャル成長中にSiやGe等のIV族原子層を挿入することでGaとAsのサイトを交換したGaAsを成長させようというものである。

図1:副格子交換エピタキシーの最もシンプルなモデル

　本研究ではまず、分子線エピタキシー(MBE)法を用いてGaAs/Si/GaAs(100)ヘテロ構造を作製し、その評価を行った。GaAs基板にはGaAs(100)、[011]方向および[011]に4度微傾斜させたGaAs(100)基板を用い、挿入するSi層の膜厚を変化させ副格子交換が生じる条件を探した。副格子交換の評価には、反射高速電子線回折(reflection high energy electron diffraction:RHEED)観察及びストライプマスクを用いた異方性エッチングにおけるメサ形状の観察を利用した。これらの評価法は、閃亜鉛鉱構造で副格子交換(または空間反転)が[100]軸を中心軸とする90°回転と等価であるという性質を利用している。通常の成長条件の下で、GaAs(100)基板上において観察されるRHEEDパターンは(2×4)であるが、副格子交換GaAs薄膜ではその構造を[100]軸まわりに90°回転した(4×2)が観察される。一方、異方性エッチングでは、副格子交換したエピタキシャル薄膜の場合、ストライプマスクの方向([01]または[011])とエッチングによって形成される順メサおよび逆メサのエッチングプロファイルとの関係が通常のGaAs基板の場合の逆になる。作製したヘテロ構造について評価を行った結果、[011]方向に微傾斜させたGaAs(100)基板を用いた場合、10ÅのSi層上に副格子交換(空間反転)GaAsエピタキシャル薄膜が得られることを確認した。しかしながら、得られた副格子交換GaAs薄膜について断面透過電子顕微鏡観察(cross-sectional transmitted electron microscopy:XTEM)を行ったところ、副格子交換層にはGaAsとSiとの約4%の格子不整合に起因する高密度の貫通転位が観察された。副格子交換GaAs薄膜の結晶性は、素子への応用に対して不十分なものであった。

　次に本研究では、良質な結晶性を持つ副格子交換薄膜を得る為に、GaAsとほぼ格子整合するGeを用いたGaAs/Ge/GaAs(100)副格子交換エピタキシーに着手した。MBE法を用いてGaAs/Ge/GaAsヘテロ構造を作製し、評価を行ったところ、[01]方向に4°傾斜させたGaAs(100)基板を用い、20Å以上のGe層を挿入した場合に結晶性の良い反転層を成長させることに成功した。副格子交換の検証には、Siの場合と同様に、RHEED観察および異方性エッチングを用いた。表1に観察されたRHEEDパターンを示す。[01]方向に4°傾斜させたGaAs(100)基板を用いた場合、Ge層上のGaAsエピタキシャル薄膜は(4×2)構造を示しており、この条件で副格子交換GaAs薄膜が成長していることを示している。また、XTEM観察よって貫通転位の無い、良質の副格子交換層が成長できていることを確認している。

表1:観察されたRHEEDパターン

　GaAs/Ge/GaAs(100)副格子交換エピタキシーにおいて副格子交換GaAsエピタキシャル薄膜が成長するメカニズムは、我々が当初考えていたモデルとは異なるものであり、次の様に考えている。Ge層表面の単原子層ステップの存在により、Ge層状上のGaAs成長においてアンチフェイズドメイン(antiphase domain:APD)と呼ばれる異なる副格子配列を持った2種類のドメインが発生する。APDの境界(antiphase boundary:APB)は、ステップエッジにおいて発生し、Ga-GaボンドまたはAs-Asボンドで構成される{111}面内を伝播する過程で互いに衝突し消滅する。この時、我々の成長条件においてAs-AsボンドがAPBとして支配的であり、基板の傾斜によりステップ方向がそろっているとすれば、副格子交換したGaAs層が結果として生き残ることを説明できる(図2)。また、このAPD自己消滅モデルはSiにおける副格子交換薄膜の成長についても説明することができる。

図2:(100)基板上副格子交換のメカニズム。

　本研究では他にも、(111)基板上のGaAs/Ge/GaAs構造及び(100)基板上のGaP/Si/GaP構造においても空間反転したGaAs層の成長に成功している。

　GaAs/Ge/GaAs(100)副格子交換エピタキシーの結果を利用して、周期的分極反転構造(周期的副格子交換構造)を作製することができる。図3(a)(b)(c)に周期構造作製の手順を示す。作製手順は、まず副格子交換エピタキシー法で反転層を成長し、フォトリソグラフィーとエッチングを用いて、空間反転層と基板層(非空間反転層)が周期的に露出するテンプレートを作製する。作製した周期テンプレート上にGaAsを再成長すると、テンプレートの結晶方位を継承して、周期的分極反転したGaAs層を得ることができる。この周期構造作製においては、フォトレジストなどの有機物質が不可避的に表面を汚染する。これらの汚染は、再成長の際に非エピタキシャルな核形成の原因になり、良質なGaAs薄膜の成長を妨げるものとなる。本研究では、入念な有機溶媒による洗浄、酸素プラズマクリーニング、化学エッチングを用いて良質な周期的分極反転GaAsエピタキシャル薄膜の成長に成功している。図3(d)は、周期構造に垂直にストライプマスクを形成し異方性エッチングを行った結果である。得られたエッチング形状は,逆メサと順メサを交互に示しており、周期的に90°回転したGaAs結晶が成長していることを示している。

　この周期的分極反転したGaAs上にAlGaAs系の光導波路を成長すれば、QPM波長変換素子を作製することが可能である。本研究では、作製した周期的分極反転GaAs薄膜上に4000ÅのAl_0.2Ga_0.8Asのコア層、1.5mのAl_0.8Ga_0.2Asのクラッド層からなる光導波路を作製した。図4に作製した光導波路の模式図を示す。基本波に1.5mの半導体レーザを用いて、第2高調波発生実験を行い位相整合を達成している。今後は、成長条件、素子設計などの最適化を行うことによって変換効率の向上をはかり、続いてQPM-DFGデバイス、OPGデバイス、⁽²⁾カスケーディングデバイスなどの開発に研究を展開していく予定である。

図表図3:周期的分極反転構造の作製手順 / 図4:QPM-SHGデバイスの模式図

　第2高調波発生(second-harmonic generation:SHG)などの非線形光学効果を用いた波長変換は、現在得ることの出来ない波長領域のコヒーレント光源を実現する有力な手段である。本研究では、これまで波長変換素子材料として専ら注目を浴びてきた酸化物誘電体材料にかわり、化合物半導体に注目して研究を進めてきた。化合物半導体は、大きな光学的2次非線形性を持つとともに、これまでに培われてきた結晶成長技術およびプロセス技術を駆使することによって、波長変換素子と半導体レーザとのモノリシック集積化できる優れた特長を持つ。しかし、化合物半導体は光学的に等方的であり、位相整合条件を既存の複屈折を利用する手法で達成することができない。この問題は、周期的に結晶を空間反転させる、周期的空間反転構造を用いた疑似位相整合(Quasi Phase Mathcing:QPM)を利用することで解決できる。本論文は、空間反転した化合物半導体結晶を作製するためのエピタキシャル成長技術として、独創的な化合物半導体副格子交換エピタキシーを提案し、この化合物半導体副格子交換エピタキシーの基礎技術を確立し、それを応用して波長変換デバイスの作製を行った研究結果をまとめたものである。

　第1章は序論であり、本研究の背景、目的、論文の構成などが述べられている。

　第2章では、第2高調波発生の変換効率の式から高効率な波長変換素子の実現の指針を得た後、化合物半導体の優れた光学的2次非線形性について述べるている。次に、本研究で初めて提案された副格子交換エピタキシーのモデルを紹介し、副格子交換エピタキシーで用いるIII-V/IV/III-Vヘテロ構造についての諸特性についてまとめている。

　第3章では、副格子交換エピタキシーの可能性を検証するために行った、GaAs/Si/GaAs(100)ヘテロ構造についての、MBE成長手順および反射高速電子線回折(RHEED)観察・異方性エッチング・断面透過電子顕微鏡(XTEM)観察などの評価結果が述べられている。実験の結果、GaAS/Si/GaAs副格子交換エピタキシーにより、結晶性は劣悪であるものの、空間反転したGaAs結晶の成長に成功している。

　第4章では、結晶性を改善するために実施した、GaAs/Ge/GaAs(100)およびGaAs/Ge/GaAs(111)ヘテロ構造のMBE成長およびRHEED観察・異方性エッチング・XTEM観察・X線回折・PL測定などによる評価結果がまとめられている。実験の結果、GaAs/Ge/GaAs(100)副格子交換エピタキシーにより、良質な結晶性を有する空間反転したGaAs結晶の成長に成功している。

　第5章では、得られた実験結果を説明するために、どのようなメカニズムを通して副格子交換が達成されるかについての考察を行っている。RHEED観察やXTEM観察によって得られた情報をもとに、実験結果を矛盾なく説明するメカニズムを提案している。

　第6章では、まず、副格子交換エピタキシーを利用した周期的空間反転GaAs結晶の作製の手順がまとめられている。副格子交換エピタキシー・フォトリソグラフィー技術・MBE再成長を組み合わせることにより、周期的空間反転GaAs結晶の作製に成功している。本章最後では、その周期的空間反転GaAs結晶を利用したAlGaAs QPM-SHGデバイスの作製を行っている。第2高調波測定によるデバイス評価の結果、作製したデバイスから第2高調波が観察され、デバイスのプロトタイプを作製することに成功している。

　第7章総括であり、研究の結論が要約されている。

　以上を要約すると、本研究では、化合物半導体材料を2次非線形光学デバイスに応用するための基礎技術である副格子交換エピタキシー法を確立し、それを応用して波長変換デバイスのプロトタイプを作製することに成功している。このデバイスは、今後の光通信産業および分光物理学などに大きなインパクトを与える可能性を持っており、物理工学の発展に寄与するところがきわめて大きい。

　よって本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。