1量子光物性研究部 2アリゾナ州立大学
フォトニック結晶（ＰｈＣ）ナノ共振器は非常に高い共振Ｑ値と波長サイズ程度の小さなモード体積を有する。これは共振器内部の発光媒質の自然放出確率を飛躍的に増大させ、高効率かつ低消費パワーの光源を実現させる。このとき発光媒質に半導体量子ドット（ＱＤ）を用いることでキャリアのフォノン散乱や表面再結合を抑制でき、一層の高効率化につながる。このようなＱＤ−ＰｈＣナノ共振器を用いたレーザは光集積回路の内部微小光源としての応用が期待されている。
ＱＤ−ＰｈＣナノ共振器には主にＧａＡｓを中心とするＩＩＩ−Ｖ族半導体へテロ構造が用いられている。しかしながら多くの場合において共振Ｑ値は数千程度で、ナノ共振器の効果を得るには不十分であった。この原因として、組成の異なる複数の層を均一にエッチングしなければならず、高いＱ値を得るための加工精度が十分ではなかったこと、また半導体面内方向へ光が共振する際ヘテロ構造各層での光吸収が大きな損失となることが考えられる。
今回我々は電子線描画レジストをドライエッチングマスクとして用い、ヘテロ各層との高選択比エッチング条件を見出すことで高い加工精度を実現した[1]。さらに量子ドット発光のヘテロ各層での再吸収効果を最小限に抑制する構造を提案し、10,000を超える共振Ｑ値を達成した（
図1）[2]。このような高Ｑ値ナノ共振器における発光積分強度の励起光強度依存性およびその発光再結合寿命測定から、自然放出のレーザモードへの結合係数（
b ）が0.9程度の非常に高い効率でレーザ発振していることが観測された（図2）[3]。
本研究成果は高効率微小光源の実現に向けた構造設計・作製指針を与える重要なものであると考える。
[1] T. Tawara, et al., Jpn. J. Appl. Phys. Phys. 45 (2006) L917.
[2] T. Tawara, et al., IPRM2007, Matsue, Japan, May 2007.
[3] T. Tawara, et al., CLEO/QELS2007, Baltimore, USA, May 2007.
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