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ワイドギャップ化合物半導体の 2 次非線形光学定数精密測定

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(1)

修士論文要旨

(2008

年度)

ワイドギャップ化合物半導体の 2 次非線形光学定数精密測定

Accurate measurements of second-order nonlinear-optical coefficients of widegap semiconductors

電気電子情報通信工学専攻 佐藤 弘章

Hiroaki SATO

1. 緒言

レーザの動作波長域を拡大するために,非線形光学効 果を用いたレーザ光の波長変換は今や必須の技術となっ ている.適切なレーザ材料が存在せず直接レーザ光を得 ることができない波長に対して,波長変換というのは極め て有効な手段である.例えば,緑色ではレーザ光を直接得 ることができないため,基本波波長

1064 nm

を波長変換 し,この半分の波長である第2高調波

532 nm

を得るとい

2

次の非線形光学効果を用いている.具体例として,波 長変換材料に定比組成

LiTaO

3

(熱伝導率 8.8 W/mK [1],

d

33

=13.8 pm/V [2])

を用いた

20.8 W

の高出力緑色光発 生が挙げられる

[3].

波長変換材料を選択するうえで重要なことは,その材 料が波長変換を行う波長で透明であるか,熱伝導率や光 損傷閾値が高いかどうか,さらに,2次非線形光学定数

d

の値がいくらであるかということであろう。特に,2次非 線形光学定数は波長変換の効率を決定付ける物理量であ り,波長変換デバイスを設計するうえでも,また,作製 したデバイスの性能を評価するうえでも,その正確な値 を用いることが必須である.

我々は,現在ワイドギャップ化合物半導体の中でも

SiC

に注目している.SiCは熱伝導率が

Si

3

倍,絶縁破壊 電圧が

Si

10

倍という大きな値を持ち,次世代のパワー デバイス用半導体材料として有望である.実は,SiC もつこれらの特性は,高出力光デバイスとしても極めて 望ましい.さらに,バンドギャップエネルギーが

3.2 eV

であるので可視光全域で透明であり,2次の非線形光学効 果に対して活性であるのでレーザ光の波長変換が可能で ある.したがって,次世代の高出力可視光発生用波長変 換材料としても非常に有望である.しかしながら,波長

1:

過去に報告された

6H-SiC

2

次非線形光学定数 報告者

d

31

(pm/V) d

33

(pm/V) S. Singh et al. [4] 8.1 -13.5 P. M. Lundquist et al. [5] 5.0 -50

S. Niedermeier et al. [6] 4.0 -24

変換の効率を決定付ける

2

次非線形光学定数の値は,SiC についてこれまでにいくつか報告されているが

(表 1),測

定者ごとのばらつきが大きく,また,測定に用いられた 試料の質,測定精度の点から見てもら信頼できる値が無 いのが現状である.以上のことから,高品質な

SiC

バル ク単結晶に対して精密な測定を行い,2次非線形光学定数 を正確に決定することを本研究の目的とした.

2. 2 次非線形光学定数の測定法

2

次非線形光学定数の測定法として最も代表的なもの に,回転型

Maker

フリンジ法とウェッジ法がある.両者 とも,試料に基本波を入射した際に発生する第

2

高調波 パワーを測定することで,その

2

次非線形光学定数を決 定する方法である.ウェッジ法とは,入射端面と出射端面 が一定の角度をなすような楔形の試料に基本波を垂直入 射し,光路に対して試料を垂直(テーパー方向)に移動 させ,発生する第

2

高調波パワーの試料厚さ依存性を測 定する方法である.一方,回転型メーカーフリンジ法は,

平行平板試料を入射端面に平行で光路に垂直な試料内の 軸で回転させ,発生する第

2

高調波パワーの基本波入射 角依存性を測定する方法である.どちらの場合でも,試料 内部における基本波および第

2

高調波の多重反射干渉の 影響が測定データに顕著に現れるため,その効果を厳密 に考慮した理論解析を行うことが,2次非線形光学定数を 正確に決定するためには不可欠である.ウェッジ法では,

試料内で多重反射したビームが完全にオーバーラップし 干渉が生じるという多重反射効果が起こる条件下で測定 を行うので,理論解析が比較的容易であるが,薄くかつ ウェッジ角の小さい試料を作製することが難しい.一方,

回転型

Maker

フリンジ法は,平行平板試料を作製するの

は比較的容易であるが,試料内部で多重反射を繰り返す ビームのオーバーラップの度合いが入射角に応じて変化 するため,理論解析が複雑になってしまう。したがって,

本研究では互いの欠点を補うため,回転型

Maker

フリン ジ法とウェッジ法の双方を用いて,2次非線形光学定数の 精密測定を行った.

(2)

3. SiC2 次非線形光学定数の測定

3.1

非線形光学材料としての

SiC

SiC

は積み重なり方向

(c

軸方向)に対して多様な積層構 造をとる結晶多形(ポリタイプ)現象を示す。今回,比較 的大型で他のポリタイプの混入のない高品質なバルク単結 晶を入手できる,積層方向の一周期中に含まれる

Si-C

子単位層の数が

4

ないし

6

4H-SiC

および

6H-SiC(と

もに六方晶)を測定した. 4Hおよび

6H-SiC

は点群

6mm

に属するので,

3

つの独立な

d

テンソル成分

d

15,d31

d

33

を持つ.

3.2

回転型

Maker

フリンジ法による測定

SiXON

(0001)基板 6H-SiC(6 × 6 × 0.4 mm)と SiXON

(0001)

基板

6H-SiC(6 × 6 × 0.4 mm)

2

種を回転型

Maker

フリンジ法を用いて測定を行った.今回用いた測

定系を図

1

に示す.測定光源として,波長

1.064 µm

Q

スイッチ

Nd:YAG

レーザー(パルス幅

100ns,繰り返

し周波数

5 kHz,パルスエネルギー 40 µJ)を用い,ビー

ム半径

655 µm

の平行光として試料に入射した.試料を

0.05

ずつ回転させながら,試料から発生する第

2

高調波 を光電子増倍管

(PMT:Photo multiplier tube)

により検 出した.Boxcar-Integratorを用いて

1

測定点あたりあた

1000

パルス分平均化した.レーザの揺らぎを補正する ために基本波からのビームを

2

つに分け,一方を有機の 非線形光学材料の粉末である

PNP

に入射させ,PNP ら発生する第

2

高調波パワーにより,試料からの第

2

調波パワーの測定値を規格化した.すでに正確な値が決 まっている水晶(d11

= 0.30 pm/V [7–9])の第2高調波

パワーと比較することによって,間接的に

SiC

の2次非 線形光学定数を求める相対測定を実施した.

(0001)

基板

6H-SiC

を用いた回転型

Maker

フリンジ法 による測定では,基本波

s

偏光,第

2

高調波

p

偏光

(s - p)

の偏光配置で

d

31を決定でき,基本波

45

偏光,第

2

高調

s

偏光

(45

- s)

の偏光配置で

d

15を決定できる.さらに,

基本波

p

偏光,第

2

高調波

p

偏光

(p - p)

の偏光配置では,

出射する第

2

高調波には

d

15

, d

31

, d

33

3

つの成分の寄与

Nd: YAG

Laser PMT

DMM ConverterI-V Boxcar

Integrator Boxcar

Integrator ConverterI-V

PC Half-mirror

IR-cut FilterPNP

λ/2 Plate

Polarizer

IR-Pass Filter

Analyzer

IR-cut Filter Harmonic Separater Sample

PMT DMM

1:

回転型

Maker

フリンジ法で用いた測定系.

0 10 20

0.05 0.1 0.15

20 30 40

0 0.05 0.1 0.15

40 50 60

0 0.05 0.1 0.15

Incident Angle (degree)

SH Power (a. u.)

2: (0001)

基板

6H-SiC

でのd31測定結果.白丸が実験値,黒 の実線が解析手法

[11]

によるフィッティングを表す.

s

偏光基 本波入射,

p

偏光第

2

高調波出射).

40 50 60

0 0.5 1 1.5

20 30 40

0 0.5 1 1.5

0 10 20

0.5 1 1.5

Incident Angle (degree)

SH Power (a. u.)

3: (11¯ 20)

基板

6H-SiC

でのd33測定結果.白丸が実験値,黒 の実線が解析手法

[11]

によるフィッティングを表す.

s

偏光基 本波入射,

s

偏光第

2

高調波出射).

が含まれているので,d15

d

31をあらかじめ決定してお く必要がある.一方,

(11¯ 20)

基板

6H-SiC

を用いた測定で は,基本波

p

偏光,第

2

高調波

s

偏光

(p - s)

の偏光配置で

d

31を,基本波

s

偏光,第

2

高調波

s

偏光

(s - s)

の偏光配 置で

d

33を,基本波

45

偏光,第

2

高調波

p

偏光

(45

- p)

の偏光配置で

d

15を測定することができ,3つの成分すべ て独立に決定できる.例として,(0001)基板

6H-SiC

に対 して基本波

s

偏光,第

2

高調波

p

偏光の偏光配置で測定 を行った結果(d31の測定結果)を図

2

に,また,(11¯

20)

基板

6H-SiC

に対して基本波

s

偏光,第

2

高調波

s

偏光の 偏光配置で測定を行った結果(d33の測定結果)を図

3

それぞれ示す.大きなフリンジの周期に多重反射の干渉 による細かい振動が重なっているのが非常によくわかり,

均質性が良好で平行度が高く,屈折率の大きな材料

(SiC

2.6

程度)に対して極めて精密な測定が行われていると いうことを示している.これは,試料内部での基本波・第 2高調波双方の多重反射による干渉効果の影響で,2次非 線形光学定数を正確に決定するためには,この多重反射 干渉効果を考慮した解析が必須である.さらに,SiCのよ うな高屈折率材料に対して回転型メーカーフリンジ法で

(3)

測定を行うと,試料内部で反射を繰り返す基本波ビーム および第

2

高調波ビームどうしが互いに部分的に重なっ た状態になる.従来の解析手法

[10]

では,このビームが 部分的に重なることによる多重反射干渉効果の変化の影 響を考慮できず,正確な値を測定することができなかっ た.しかしながら,我々は,試料内部における多重反射 干渉効果とビームの部分的な重なりによる影響を考慮に 入れた新たな理論解析手法を確立した

[11].この手法に

より解析を行った結果,(0001)基板

6H-SiC

を用いた測 定では,d31

= 6.7 ± 0.3 pm/V,d

15

= 6.4 ± 0.3 pm/V,

d

33

= 9.7 ± 8.0 pm/V

となった.一方,(11¯

20)

基板

6H- SiC

を用いた測定では,d31

= 7.0 ± 0.4 pm/V,d

15

= 6.6 ± 0.3 pm/V,d

33

= 12.2 ± 0.6 pm/V

となった.しか し,(0001)基板

6H-SiC

を用いた

d

33の測定では,出射 する第

2

高調波パワーへの

d

33成分の寄与があまりに小 さいため,本質的に誤差が大きくなり,一番大きいであ ろう

d

33の値の比較を行うことができなかった.したがっ て,d33の値を含めて,さらに比較を行うためにウェッジ 法による測定が必要であるという認識に至った.

3.3

ウェッジ法による測定

ウェッジ法による測定では,同じ面方位でメーカーが異 なる

6H-SiC

試料2種と,ポリタイプのことなる

4H-SiC

試料用いて測定を行うことにより,回転型

Maker

フリン ジ法における

(0001)

基板

6H-SiC

を用いた測定で問題と なった

d

33の値を含め,測定で得られた値を比較するこ とにより,SiC

2

次非線形光学定数の値を確かなもの にすることができるであろう.

ウェッジ法では,3つの成分すべてを測定するためには

(11¯ 20)

面に対して測定を行う必要がある.しかし,

(11¯ 20)

基板を商業的に得ることができないため,安定した高品 質な結晶を得られる

(0001)

基板から切断加工を施した試 料を用いて測定を行った.今回,Intrinsic Semiconductor 製と

SiXON

製の

6H-SiC 2

種と,Cree製の

4H-SiC 1

の計

3

つの

(0001)

基板

(8 x 8 mm,

厚さ

0.4 mm)

を準備 した。そこから,[11¯

20]

軸と垂直な側面((11¯

20)

面)を

0.4 x 8 mm

のサイズで切り出し,これを厚さ〜100

µm,

ウェッジ角〜0.15に研磨加工した.表

2

に示すように,

3

2:

ウェッジ法により測定した試料

製造元

Polytipe

面方位 厚さ

[µm]

ウェッジ角

SiXON 6H (11¯ 20) 95 - 115 0.15

I.S.

a

6H (11¯ 20) 95 - 115 0.15

Cree 4H (11¯ 20) 95 - 115 0.15

a Intrinsic Semiconductor

1.5 1.0 0.5 0.0

SH Power (a.u.)

114 112

110 108

106 Sample Thickness (mm)

4: (11¯ 20)

SiXON

6H-SiC

ウェッジ試料のd33に対する

2

高調波の試料厚さ依存性

.

白丸が測定値を実線が理論解析 手法

[2]

によるフィッティングを示す

.

0.2

0.1

0.0

SH Power (a.u.)

114 112

110 108

106 104

Sample Thickness (mm)

5: (11¯ 20)

Intrinsic Semiconductor

6H-SiC

ウェッジ試 料のd31に対する第

2

高調波の試料厚さ依存性

.

白丸が測定値 を実線が理論解析手法

[2]

によるフィッティングを示す

.

0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

SH Power (a.u.)

114 112

110 108

106 104

Sample Thickness (mm)

6: (11¯ 20)

Cree

4H-SiC

ウェッジ試料のd15に対する第

2

高調波の試料厚さ依存性

.

白丸が測定値を実線が理論解析手

[2]

によるフィッティングを示す

.

つの試料すべてに同じ加工を施した.これらの試料では,

試料内で多重反射を繰り返すビーム同士がほぼ重なると いう条件を満たし,ウェッジ法における多重反射干渉効果 を完全に考慮した解析

[2, 12]

により,正確な値を求める ことができる.

ウェッジ法では,回転型

Maker

フリンジ法と同様の測

定系(図

1)を用いた.ただし,試料の入射端面のサイ

0.4 x 8 mm

に十分収まるように,基本波をレンズで

37 µm

に集光して,試料に対して垂直に入射した.基本 波と第

2

高調波の偏光方向をともに

[0001]

軸と平行にす ると

d

33が測定でき,基本波の偏光方向を

[0001]

軸と垂 直,第

2

高調波の偏光方向を

[0001]

軸と平行にすると

d

31

が測定できる.さらに,基本波の偏光方向を

[0001]

軸か

45

傾け,第

2

高調波の偏光方向を

[0001]

軸と垂直に すると

d

15が測定できる.このように,基本波と第

2

(4)

調波の偏光配置を変えることにより,3つの成分すべてを 独立に測定することができる.

例として,図

4

SiXON

6H-SiC

d

33測定結果を,

5

Intrinsic Semiconductor

6H-SiC

d

31測定結 果を,さらに,図

6

Cree

4H-SiC

d

15測定結果を それぞれ示す.図

3-5

からわかるように

Maker

フリンジ に,多重反射干渉効果特有の細かい振動か重なった様子 がはっきりとわかり,測定範囲全体において均質で高品質 な結晶でかつ精密な測定が行われたといえる.また,実 験値と理論曲線が非常によく一致していることもわかる.

コングルエント

LiNbO

3(d33

= 25.2 pm/V [2])との相

対測定の結果,非線形光学定数は表

3

のようになった.

3:

ウェッジ法により測定した

4H

6H-SiC

2

次非線形光 学定数(カッコ内は誤差)

試料

d

31

[pm/V] d

15

[pm/V] d

33

[pm/V]

6H (SiXON) 6.5 ( ± 0.3) 6.3 ( ± 0.3) 12.3 ( ± 0.6) 6H (I.S.) 6.5 ( ± 0.3) 6.6 ( ± 0.3) 12.9 ( ± 0.6) 4H (Cree) 6.5 ( ± 0.3) 6.7 ( ± 0.3) 11.7 ( ± 0.6)

3.4 SiC

2

次非線形光学定数の決定

回転型

Maker

フリンジ法を用いて,面方位が異なる

SiXON

(0001)

基板

6H-SiC

および

SiXON

(11¯ 20)

6H-SiC

を測定した結果,本質的に誤差が大きくなっ

てしまう

(0001)

基板

d

33の測定を除く

d

15,d31におい て誤差の範囲で値が一致した.さらに,ウェッジ法を用 いて,製造元の異なる

SiXON

(11¯ 20)

6H-SiC

およ び,Intrinsic Semiconductor

(11¯ 20)

6H-SiC

を測定 した結果,d15,d31,d33のすべての成分において誤差の 範囲で値が一致した.さらに,回転型

Maker

フリンジ法

(0001)

基板

d

33測定を除き,両測定法間においてすべ ての成分でそれぞれ誤差の範囲で値が一致した.以上の ことから,6H-SiC

2

次非線形光学定数をそれぞれ

d

31

=6.7 pm/V, d

15

=6.5 pm/V, d

33

=12.5 pm/V

と決定した.また,ウェッジ法にて同様に測定を行った

4H-SiC

についても精密な測定が行われているといえる。

したがって

4H-SiC

2

次非線形光学定数をそれぞれ

d

31

=6.5 pm/V, d

15

=6.7 pm/V, d

33

=11.7 pm/V

と決定した.

4. 結論

複数の高純度試料に対して,ウェッジ法および回転型

Maker

フリンジ法による精密測定を行い,多重反射を厳

密に考慮したデータ解析により

4H-SiC

および

6H-SiC

2

次非線形光学定数の正確な値を明らかにした.

現在,本研究での一連の測定法を用いて,GaN

2

非線形光学定数測定を行っている.GaNにおいても同様 に,2次非線形光学定数の正確な値を明らかにできるであ ろう.さらに今後,AlN

2

次非線形光学定数の測定を 行う予定である.ともにワイドギャップ化合物半導体であ

GaN

AlN

は,紫外域で透明で,水晶に比べて

2

非線形光学定数がはるかに大きい可能性があるので,高 効率な紫外光発生用波長変換材料となりうることが期待 される.

謝辞

本研究に取り込むにあたり,多くの御指導と御助言を 戴いた庄司一郎准教授に深く感謝いたします.また,共 同研究者の近藤高志准教授(東京大学),須田淳准教授

(京都大学),阿部真(東京大学)の各氏に深く感謝いた します.

参考文献

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図 2: (0001) 基板 6H-SiC での d 31 測定結果.白丸が実験値,黒 の実線が解析手法 [11] によるフィッティングを表す. ( s 偏光基 本波入射, p 偏光第 2 高調波出射). 40 50 6000.511.520304000.511.5010200.511.5
図 5: (11¯ 20) 面 Intrinsic Semiconductor 製 6H-SiC ウェッジ試 料の d 31 に対する第 2 高調波の試料厚さ依存性 . 白丸が測定値 を実線が理論解析手法 [2] によるフィッティングを示す
図 5 に Intrinsic Semiconductor 製 6H-SiC の d 31 測定結 果を,さらに,図 6 に Cree 製 4H-SiC の d 15 測定結果を それぞれ示す.図 3-5 からわかるように Maker フリンジ に,多重反射干渉効果特有の細かい振動か重なった様子 がはっきりとわかり,測定範囲全体において均質で高品質 な結晶でかつ精密な測定が行われたといえる.また,実 験値と理論曲線が非常によく一致していることもわかる. コングルエント LiNbO 3 (d 33 = 25.

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