半導体ナノワイヤとSiフォトニック結晶によるナノ共振器形成

横尾　篤^1,2　Muhammad Danang Birowosuto^1,2　章　国強²　舘野功太²
滝口雅人^1,2　倉持栄一^1,2　谷山秀昭^1,2　納富雅也^1,2
¹NTTナノフォトニクスセンタ　²量子光物性研究部

　半導体ナノワイヤは、構造サイズを直径100 nm以下とすることが可能であり、特に、III-V族ナノワイヤにおいては、成長プロセスのコントロールにより、コア・シェル構造、多層ヘテロ構造、p-i-n 接合構造などを容易に導入できることから、小型で消費エネルギーの低い光デバイスの実現が期待される。しかしながら、半導体ナノワイヤのサイズが光波長と比べて小さすぎるために、光閉じ込めが困難であるという問題があった。一方、Siフォトニック結晶では、波長オーダの光閉じ込めが実現されているが、光活性な材料を導入するためには、埋め込み成長などのプロセスが必要であり、材料を自由に選択することができなかった。
　我々は、線欠陥中にトレンチ構造をもつフォトニック結晶上で、微細な探針で微小物体を動かす手法（AFMマニピュレーション）を使って、トレンチ内にナノワイヤを配置することで、共振器を新規形成することに成功し、さらに、トレンチ内でのナノワイヤ移動により共振器の位置を変更可能であることを実証した（図1）[1]。この共振器は、フォトニック結晶線欠陥におけるモードギャップ端周波数が屈折率変化に対して敏感であることを利用して、ナノワイヤ導入による局所的な屈折率変化によって形成されたモードギャップ共振器である[2, 3]。InAsP/InPヘテロ構造ナノワイヤ（長さ2620 nm、直径85 nm）を周期416 nmのフォトニック結晶線欠陥中のトレンチ（幅150 nm、深さ75 nm）に導入したサンプルにおいて最高Q値9500 (λ= 1.5 μm)が得られている。また、ナノワイヤの移動により共振器Q値が変化することを使って、同一のナノワイヤがQ値の異なる環境に置かれた際の発光寿命の変化を評価することが可能となり、パーセル効果によりQ値の増大とともに光子寿命が短くなることが確認された。Q値5200の共振器において、III-V族ナノワイヤとしては最も短い光子寿命(91 ps)が達成されている。
　以上の結果は、共通のフォトニック結晶基板上に異種材料を導入すると同時に、機能性をもった共振器を形成し任意の機能デバイスを提供する、光ユニバーサル基板コンセプトの実現につながるものである。


図1 　AFMマニピュレーションを用いたフォトニック結晶線欠陥トレンチへのナノワイヤ導入による共振器形成とナノワイヤのトレンチ内移動による共振器位置移動の模式図、および、各位置におけるナノワイヤからの発光スペクトル。