1量子光物性研究部 2機能物質科学研究部
共振器ポラリトンは半導体微小光共振器中での強い励起子-光子結合状態が作り出す新しい量子状態である。近年特にこの共振器ポラリトン密度が十分小さいときに現れるボーズ粒子性に興味が集まっている。この性質を利用するとポラリトンレーザと呼ばれるような閾値の無い（反転分布を必要としない）レーザ等、全く新しい光デバイスへの応用が可能となる。これらのポラリトンデバイスを実現し、かつ室温動作させるためには大きな励起子振動子強度と束縛エネルギーを有する材料を選択する必要がある。
窒化物半導体は大きな励起子束縛エネルギーを有し、室温でも安定して励起子が存在する。さらにこの系では励起子の有効質量が大きく、振動子強度も他の化合物半導体系に比べ非常に大きいことが予想される。これらのことから窒化物半導体微小共振器では、非常に強い励起子-光子結合が室温付近でも発現することが期待され、また実際のポラリトンデバイスの実現にも有望である。
今回我々は、選択ドライエッチングとウエハボンディング技術を用いてＩｎＧａＮ/AlGaN量子井戸と誘電体多層膜反射鏡（DBR）からなる微小共振器構造の作製方法を開発した（図１）。作製された微小共振器は室温での面発光レーザ動作を実現しており（図２）、非常に高品質な構造が得られていることを示している[1]。図3は室温で測定された反射スペクトルの共振器detuningエネルギー（δ：励起子遷移と共振器モードのエネルギー差）依存性を示している。これよりδに依存した2つのdipの形成・消滅が観測された。これらの特性は共振器ポラリトンの形成を表しており、このとき励起子-光子結合の強さを表すラビ分裂量は6
meVであった。この結果からＩｎＧａＮ励起子の振動子強度は従来のGaAs系励起子に比べ10倍程度大きいことが見積もられ、共振器ポラリトンの物性解明やデバイス応用に非常に有効な材料系であることが示された。
[1] T. Tawara, et al., Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 830.
[2] T. Tawara, et al., Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 256402.
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| 図１ 微小共振器構造の作製 |
図２ レーザ発振（光励起） |
図３ ポラリトンの形成 |