量子ドットの光イオン化を用いた超高感度中赤外光検出器の開発

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13555104
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (10183097)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 荒川 泰彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (30134638) ; 榊 裕之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90013226) ; 島田 洋蔵 東京大学, 生産技術研究所, 助手 (10292749)
• Keywords: 量子ドット / 光検出 / ナノ構造 / ヘテロ構造 / 赤外線 / サブハンド間遷移 / トンネル効果 / 単一電子トランジスタ

Research Abstract

波長数μmから10μm程度の中赤外光領域は、物理・化学分光、環境計測、リモートセンシング、サーモグラフィー、暗視装置、赤外線天文学など、様々な分野で非常にその重要性を増しつつある。従来、この波長領域では、材料信頼性の低い狭ギャップ半導体が用いられていたが、サブバンド間遷移を用いる量子井戸赤外光検出器が実現され、半導体工学のベースに載るようになってきた。さらに、その欠点を克服し、しかも高感度の赤外光検出を行うために、自己組織化InAs量子ドットを変調ドープ量子井戸に埋め込んだ新しい量子ドット赤外光検出器を提案し、素子の高性能化と量子ドット物性の解明に向けて研究を行っている。
本年度の主な成果は、以下の通りである;(1)光検出器としての感度を支配する光励起キャリア寿命と素子構造の関係を検討し、量子ドットとキャリア伝導ヘテロ界面の距離を制御することにより、キャリア寿命と感度を大きな自由度で制御できること、(2)感度の温度依存性を検討したところ、低温では温度の上昇に伴い温度に比例して感度を低下させる成分があること、また60K以上では温度の指数関数で感度が低下することを見出した。このことは、低温領域では音響フォノンが、また高温で光学フォノンが感度の劣化をもたらしていることを意味している。さらに、音響フォノンが感度を支配する領域があることから、濡れ層が電子のトラップにおいて大きな役割を演じていることがわかった。(3)感度を極限にまで高める目的で、量子ドットを用いた単一電子トランジスタ(SET)との集積化を目指している。そのために自己組織化量子ドット1個に電極を形成したSET構造を作製し、クーロン階段構造の観測に成功した。

Research Products

• [Publications] K.Hirakawa, S.-W.Lee, Ph.Lelong, S.Fujimoto, K.Hiratani, H.Sasaki: "High-sensitivity modulation-doped quantum dot infrared photodetectors (invited)"Microelectronic Engineering. vol.63. 185-192 (2002)
• [Publications] S.-W.Lee, K.Hirakawa: "Lifetime of photoexcited carriers in modulation-doped quantum dot infrared photodetectors"Physica E. vol.13. 305-308 (2002)
• [Publications] O.Astafiev, S.Komiyama, T.Kutsuwa, V.Antonov, Y.Kawaguchi, K.Hirakawa: "Single photon detector in the microwave range"Applied Physics Letters. vol.80,No.22. 4250-4252 (2002)
• [Publications] Y.Kawaguchi, K.Hirakawa, M.Saeki, K.Yamanaka: "Performance of high-sensitivity quantum Hall far infrared photodetectors"Applied Physics Letters. vol.80,No.1. 136-138 (2002)
• [Publications] Y.Kawaguchi, K.Hirakawa, S.Komiyama: "High-sensitivity quantum Hall far-infrared photodetector integrated with log-periodic antenna"Applied Physics Letters. vol.80,No.18. 3418-3420 (2002)
• [Publications] Y.Shimada, K.Hirakawa, M.Odnoblioudov, K.A.Chao: "Tarahertz conductivity and possible Bloch gain in semiconductor superlattices"Physical Review Letters. vol.90,No.4. 46806-46809 (2003)
• [Publications] S.Modhavi, M.Abe, Y.Shimada, K.Hirakawa: "Non-equilibrium electron transport in wide miniband GaAs/AlGaAs superlattices at room temperature"Physical Review B. vol.65. 193308-193311 (2002)
• [Publications] Y.Shimada, K.Hirakawa, S.-W.Lee: "Time-resolved terahertz emission spectroscopy of wide miniband GaAs/AlGaAs superlattices"Applied Physics Letters. vol.81,No.9. 1642-1644 (2002)
• [Publications] Y.Shimada, K.Hirakawa: "Time-resolved THz spectroscopy of miniband transport in biased GaAs/AlGaAs superlattices"Inst.Phys.Conf.Ser.. No.170:Chapter6. 395-400 (2002)
• [Publications] M.Abe, S.Madhavi, Y.Shimada, Y.Otsuka, K.Hirakawa, K.Tomizawa: "Transient carrier velocities in bulk GaAs : quantitative comparison between terahertz data and emsemble Monte Carlo calculations"Applied Physics Letters. vol.81,No.4. 679-681 (2002)
• [Publications] K.Hirakawa, S.Katsumoto, T.Hayashi, Y.Hashimoto, Y.Iye: "Double-exchange-like interaction in Ga_<1-x>Mn_xAs investigated by infrared absorption spectroscopy"Physical Review B. vol.65. 193312-193315 (2002)