東北大，室温動作ポラリトンレーザーに一歩

東北大学は，室温において励起子が安定して存在できる酸化亜鉛（ZnO）単結晶を活性層とするチップサイズの微小共振器を作製し，共振器ポラリトンを室温で観測することに成功した（ニュースリリース）。

ポラリトンレーザーは半導体レーザーとは動作原理が異なる超低閾値コヒーレント光源であり，省電力化を達成できる可能性がある。その動作原理は，共振器ポラリトンをボーズ・アインシュタイン凝縮させることに基づいており，発振にキャリアの反転分布を必要としない。

研究グループは，室温動作が可能なポラリトンレーザを実現するために，チップサイズのZnO微小共振器の実現に向け，励起子が比較的長い時間存在できる高品質なZnO単結晶を光の波長程度の厚さまで薄くし，それを近紫外線の反射特性に優れる誘電体DBRにより挟みこむトップダウン方式プロセスを開発した。活性層は，励起子の寿命を悪化させる非輻射再結合中心（貫通転位，空孔型欠陥，不純物等）の濃度が低い水熱合成ZnO単結晶基板を研磨薄膜化することにより作製した。

DBRは，紫外線波長域で吸収損失が少ないシリカ（SiO₂）とジルコニア（ZrO₂）の組み合わせを採用し，同グループ独自の製膜手法である，反応性ヘリコン波 励起プラズマスパッタ法（R-HWPS法）により作製した。その結果，ZnO活性層への欠陥誘起を抑えるとともに，平滑な界面を有する薄膜周期構造を実現でき，高い反射率と広い反射帯域を有するDBRを堆積できた。

作製したZnO微小共振器中に，室温において共振器ポラリトンが形成されているかを調べるため，角度分解フォトルミネッセンス法（励起スポット径80µm，弱励起条件）により発光エネルギーの観測角度依存性を調べた。

励起子ポラリトンが微小共振器モードに結合し共振器ポラリトンが形成された場合，発光エネルギーは角度依存性を呈する。計測の結果，ZnO微小共振器の発光エネルギーは角度依存性を示し，そのエネルギー分散は計算により求められた共振器ポラリトンの下枝のエネルギー分散とよく一致した。

共振器ポラリトンが，励起直径80µmという比較的広い領域において観測されたこと，さらに微小共振器の面内（10×5mm²）の至る場所で観測されたことは世界初の成果であり，ZnOを活性層としたポラリトンレーザ実現に向けた大きな前進となった。

研究グループは，ポラリトンレーザ発振に向けて，室温における共振器ポラリトンのボーズ・アインシュタイン凝縮の実証を目指す。また，活性層をpn接合内に形成し，電流注入駆動を目指すとしている。