ワイドギャップ半導体光強閉じ込め系での励起子-フォトン相互作用の研究

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 10875064
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 末宗 幾夫 北海道大学, 電子科学研究所, 教授 (00112178)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 熊野 英和 北海道大学, 電子科学研究所, 助手 (70292042) ; 植杉 克弘 北海道大学, 電子科学研究所, 助手 (70261352)
• Keywords: ピラミッド / 光ドット / 励起子 / 微小光共振器 / 選択成長 / フォトン / 高速発光素子 / 自然放出光

Research Abstract

励起子とフォトンの相互作用は,例えば半導体微小光共振器における励起子ポラリトンのラビ分裂など興味深い物理現象を引き起こす。しかしこれまでの研究は励起子ポラリトンの分散に関する研究が中心で,光場の量子化の影響,特に励起子とフォトンの相互作用が強い場合の実験的な検討は進んでいなかった。当該研究は,特に光を三次元的に量子閉じ込めした光ドットとでもいうべき半導体構造の作製と,この構造で励起子とフォトンが共鳴して強く結合した場合の発光過程にまとを絞って研究を進めた。
昨年ZnS系ピラミッド構造により光共振器モードを反射スペクトルで確認したが,その共振Q値は〜300程度にとどまっていた。今年度はさらに微小領域の光学評価に関する検討を加え、単一ピラミッド構造の光学的な結像を確認した上で微小領域の反射スペクトルを観測した。その結果,共振Q値として3000もの大きな値が得られることがわかった。
このような光共振モードと励起子を強く結合するためには,光共振モードの電磁界分布を把握する必要がある。そこでマクスウエル方程式を差分化して解くFDTD法による理論解析を進め、3次元ピラミッド構造における電磁界モードを計算できるプログラムを完成した。この計算により電磁界分布の大きな領域を把握し,この部分に励起子を閉じ込めるための量子ドットを埋め込む準備を進めている。こうした検討の一端としてZnCdS発光層をピラミッド内に埋め込み,光共振モードによる発光スペクトルの変調を確認した。このような単一モードの微小光共振器と量子ドットの結合による単一光子発光素子へと発展させるべく,今後さらに検討を進めていく。

Research Products

• [Publications] I.Suemune: "Semiconductor Photonic Dots : Visible-Wavelength-Sized Optical Resonators"Appl. Phys. Lett.. 74,14. 1963-1965 (1999)
• [Publications] A.Avramescu: "Nucleation in the Nanometer Scale Selective Area Growth of II-VI Semiconductors"Jpn. J. Appl. Phys.. 38,5B. 563-566 (1999)
• [Publications] A. Ueta: "Nucleation and Faceting in Selectively Grown ZnS Pyramidal Dot Array for Short-wavelength Light Emitters"Jpn. J. Appl. Phys.. 38,7A. 710-713 (1999)
• [Publications] T.Tawara: "Growth and Luminescence Properties of Self-organized ZnSe Quantum Dots"Appl. Phys. Lett.. 75,2. 235-237 (1999)
• [Publications] A.Ueta: "Fabrication of Selectively Grown II-VI Widegap Semiconductor Photonic Dots on (001) GaAs with MOMBE"J. Cryst. Growth.. 209. 518-521 (2000)
• [Publications] A.Ueta: "Enhancement of Spontaneous Emission by ZnS-based II-VI Semiconductor Photonic Dots"J. Cryst. Growth. (印刷中).
• [Publications] 末宗幾夫: "日本表面科学会編「図解・薄膜技術」(分担執筆)"培風館. 272 (1999)
• [Publications] 末宗幾夫: "「半導体大辞典」(分担執筆)"工業調査会. 2011 (1999)