半導体低次元構造における励起子分子の局在化と光学利得の生成機構

1998 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09650359
• Research Institution: Yamaguchi University
• Principal Investigator: 山田 陽一 山口大学, 工学部, 助教授 (00251033)
• Keywords: ワイドギャップ半導体 / 低次元量子構造 / 励起子 / 励起子分子 / 局在化 / 光学利得 / 誘導放出 / 硫化亜鉛

Research Abstract

本研究では、ワイドギャップ半導体の中でも最も大きな励起子分子効果が期待できるZns系量子井戸構造を設計・作製し、低次元系励起子分子の輻射再結合過程を利用した紫外半導体レーザ構造の作製を試みた。特に、励起子分子の結合エネルギーと局在化の度合いを定量的に評価し、励起子分子に対する量子閉じ込め効果の最適化と励起子分子の局在化が光学利得生成に与える効果を明らかにすることを目的とした。
まず、減圧有機金属気相成長法により、混晶量子井戸層のCdの組成比と量子井戸層幅を変化させて作製した一連のCd_xZn_<1-x>S-ZnS量子井戸レーザ構造に対して、励起子分子発光の励起スペクトルの測定を行った。
その結果、励起子分子の2光子吸収過程が明瞭に観測され、励起子共鳴とのエネルギー差より励起子分子の結合エネルギーを定量的に評価した。現在までに、その結合エネルギーとして最大値約34meVが得られた。この値はZnS薄膜における励起子分子結合エネルギー(8.0meV)の約4倍であり、室温における熱エネルギー(26meV)を上回っている。
次に、一連の試料を用いて共振器構造を作製し、光励起下でのレーザ発振特性を測定したところ、Cdの組成比がx=0.22、井戸層幅が1.6nmの試料において約240K程度まで励起子分子の輻射再結合過程に基づいた誘導放出を観測することができた。この上限温度は、これまでに励起子分子による誘導放出として報告されているものの中では最も高い。また、励起子分子による誘導放出が生じている場合、そのしきい値と励起子分子の局在化の度合いはほとんど無関係であることが明らかにされた。従って、励起子分子による誘導放出機構を室温においても達成するためには、今後、その結合エネルギーの更なる増大(少なくともLOフォノンエネルギー(40meV)以上)が必要不可欠であると考えられる。

Research Products

• [Publications] 山田陽一: "青色・紫外半導体レーザーの発振機構" レーザー研究. 25(7). 493-467 (1997)
• [Publications] 山田陽一: "ZnS系量子井戸構造における局在励起子分子と光学利得" 電子情報通信学会論文誌. J81-C-II(1). 42-50 (1998)
• [Publications] 吉村和正: "Two-photon absorption of biexcitons in Zns-based quantum wells" Journal of Crystal Growth. 184/185. 682-685 (1998)
• [Publications] 中村成志: "Temperature dependence of excitonic luminescence from high-quality ZnS epitaxial layers" Journal of Crystal Growth. 184/185. 1110-1113 (1998)
• [Publications] 藤本正克: "Luminescence properties of dense excitonic systems in ZnSe-based quantum wells" Proceedings of the 2nd International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes. 250-253 (1998)
• [Publications] 中村成志: "Effects of residual strain on optical and structural properties of ZnS epitaxial layers grown on GaAs substrates" Proceedings of the 2nd International Symposium on Blue Laser and Light Emitting Diodes. 270-273 (1998)