GaN系量子ドット構造中の分極電界の制御とレーザ特性の高性能化に関する理論解析

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14550003
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 斉藤 敏夫 東京大学, 国際・産学共同研究センター, 助手 (90170513)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 荒川 泰彦 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (30134638)
• Keywords: 窒化ガリウム / 量子ドット / 自発分極 / ピエゾ分極 / 歪分布 / 電子構造 / 半導体レーザ / 発振特性

Research Abstract

AlN障壁層中のGaN量子ドットの電子状態を分極ポテンシャルに依存しだsp^3強結合法を用いて原子レベルから理論計算した。本研究では、Keating型のValence-Force-Fieldポテンシャルを用いて歪分布の計算を行い、有限差分法を用いて分極によって誘起されたポテンシャルと電界の分布を計算した。ここでは、自発分極と歪によるピエゾ分極を計算に取り入れている。GaNドットの形状は、頂点の切り取られた六角形ピラミッド型で、底面の直径は10.14nm、高さは2.07nmを想定した。このドット寸法は、実験で成長されたGaN量子ドットの大きさに対応している。分極によって、量子ドット中には、最大で7.14MV/cmの強い電界が誘起されることが明らかになった。基底の電子と正孔準位間の遷移エネルギーは3.653eVであり、フォトルミネセンスの実験結果とよく対応している。上述の強い分極電界により、電子の波動関数はドットの頂点側に、正孔の波動関数は底面側に、それぞれ偏って分布する。その結果、両波動関数間の重なりが低下し、電子と正孔の再結合速度が減少することが予測される。(重なりの自乗値は7.97x10^<-2>である。)
今後さらに寸法の大きな量子ドットの電子状態を計算し実験結果との比較を行うために、単一バンドの有効質量近似法、および、8バンドのk・p法による計算プログラムを作成し妥当な計算結果の得られることを確認した。

Research Products

• [Publications] T.Saito: "Electronic structure of piezoelectric In_<0.2>Ga_<0.8>N quantum dots in GaN calculated using a tight-binding method"Physica E. 15. 169-181 (2002)
• [Publications] T.Saito: "Effects of internal piezoelectric field on electronic states of InGaN quantum dots grown on GaN"Journal of Crystal Growth. 237-239. 1172-1175 (2002)
• [Publications] T.Saito: "Quantum-confined Stark effect in InGaN pyramidal dots induced by the piezoelectric field"Compound Semiconductors 2001 (Proc. of the 28^<th> Int. Symp. on Compound Semiconductors). Inst.Phys.Conf.Ser.No.170. 555-560 (2002)
• [Publications] T.Saito: "Polarization Field and Electronic States of GaN Pyramidal Quantum Dots in AlN"Physica Status Solidi (C). (in press). (2003)
• [Publications] T.Kakitsuka: "Numerical analysis of transition energy shift in InAs/GaAs quantum dots induced by strain-reducing layers"Physica Status Solidi (C). (in press). (2003)