【公開日：2025.06.10】【最終更新日：2025.04.03】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
24BA0006
利用課題名 / Title
GaNトポロジカルフォトニック結晶の作製
利用した実施機関 / Support Institute
筑波大学 / Tsukuba Univ.
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
内部利用（ARIM事業参画者）/Internal Use (by ARIM members)
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）加工・デバイスプロセス/Nanofabrication（副 / Sub）計測・分析/Advanced Characterization
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）高度なデバイス機能の発現を可能とするマテリアル/Materials allowing high-level device functions to be performed（副 / Sub）量子・電子制御により革新的な機能を発現するマテリアル/Materials using quantum and electronic control to perform innovative functions
キーワード / Keywords
蒸着・成膜/ Vapor deposition/film formation,スパッタリング/ Sputtering,リソグラフィ/ Lithography,電子線リソグラフィ/ EB lithography,ダイシング/ Dicing,ボンディング/ Bonding,電子顕微鏡/ Electronic microscope,走査プローブ顕微鏡/ Scanning probe microscope,光学顕微鏡/ Optical microscope,電子分光/ Electron spectroscopy,光導波路/ Optical waveguide,エレクトロデバイス/ Electronic device,光デバイス/ Optical Device,原子薄膜/ Atomic thin film,フォトニクス/ Photonics,表面・界面・粒界制御/ Surface/interface/grain boundary control
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
奥村 宏典
所属名 / Affiliation
筑波大学数理物質系
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
都筑 康平 ,瀬尾 翼,宮沢 風我,中山 智哉,Lorenzo Mainini,浦崎 圭吾,奥山 優太
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）,技術補助/Technical Assistance
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
BA-006：走査型プローブ顕微鏡
BA-008：電界放出型走査電子顕微鏡
BA-004：電子線蒸着装置
BA-005：電子線描画装置
BA-012：反応性イオンエッチング装置
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
本研究では可視光域トポロジカルフォトニック結晶の作製に向けた GaN 膜の微細加工プロセスの最適化を行う。作製した GaN 試料を走査電子顕微鏡（SEM: Scanning Electron Microscope）により観察し、定量的に形状誤差を評価することで、加工精度の向上やフォトニック結晶としての特性を得ることを目指す。
実験 / Experimental
GaN 膜を4 インチサファイア基板上に有機金属気相成長(MOCVD : Metal-Organic Chemical Vapor Deposition)法により成長した。次に、試料表面にプラズマCVD 法を用いてシリコン酸化膜(SiO2)を堆積した。電子線リソグラフィー（EBL : Electron-Beam Lithography）用レジストを塗布し、スピンコーターを用いて面内均一にレジストを広げた。その後、ホットプレートで試料を加熱してレジストを固化させた（プリベイク）。EBL（BA-005） で設計したパターンを描画した後 、現像を行った。レジストをマスクとして反応性イオンエッチング(RIE : Reactive Ion Etching)を行うことで、レジストのパターンを SiO2 に転写した。最後に、SiO2 膜をマスクとして誘導結合型（ICP : Inductively Coupled Plasma）RIE(BA-012)により、GaN膜を300 nmエッチングした。GaN 膜のエッチング後は残ったSiO2膜をフッ化水素酸（HF）に浸して除去した。Niマスク（BA-004）も試みた。パターンを原子間力顕微鏡（BA-006）や走査型電子顕微鏡で観察した(BA-008)。
結果と考察 / Results and Discussion
電子線リソグラフィー(EBL)と反応性イオンエッチングを用いて、GaN/InGaN発光層を持つGaN層に100 nmサイズの空孔からなる微細構造を作製した。プロセスの最適化により、円形空孔では直径100 nmあたりの半径差異を15 nmまで低減し、四角形や三角形の多角形空孔における角の丸みでは1辺100 nmあたりの角の丸みを25 nm~27 nmに低減することができた。また、多角形の設計時の補正により、1辺100 nmあたり10 nmから11 nm程度まで角の丸みを抑制することに成功した（図1）。円形空孔では、直径110 nm、ピッチ208 nmの報告と比較すると、本実験のGaNの微細加工は最高水準の高い解像度といえる。三角形空孔では、水素を用いた加工方法を用いて、1辺100 nmで10 nmの角の丸みが報告されている 。本実験のGaN加工は、設計上での補正を組み合わせることのみで実現しており、より短い加工時間作で作製できることを示せた。また、先の報告と比較すると同程度の角の丸みが得られており、1 μmの光に対する導波路を作製するには十分な精度である。さらに波長の短い光の導波路を実現するには、より高加速電圧のEBL装置や、高解像度に対応したレジスト、さらなる加工プロセスの最適化が必要である。FDTD法を用いたシミュレーションでは、通常のPhCに加えて、トポロジカルなPhCとしての特性が見られた。急峻な曲がりにおける伝搬損失において、三角格子上の円形空孔を持つPhCでは2 dB/turnの減衰率であったが、三角格子のハニカム構造のトポロジカルPhCでは0.5 dB/turnと高効率な伝搬が可能であることが示唆された。構造設計での最適化によりさらなる高効率化が可能となると考えられる。シミュレーションで設計した構造を持つトポロジカルPhCを、GaN膜を用いて実際に作製した。PhCの光学特性評価では、光学顕微鏡の観察において、光の閉じ込めによる光強度の増大は観察されなかった。これは、プロセス由来の誤差によるものだと考えられる。今後の課題としては、さらなる加工精度の向上、角の丸みや形状誤差に強いPhCの構造探索が挙げられる。 今回、GaNトポロジカルPhC導波路の設計から作製と光学評価に至るまで、すべて遂行したことで、可視光域の光集積回路への本技術の利用可能性を示すことができた。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
図1 三角形空孔を用いたトポロジカルPhCのSEM像
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件