半導体における量子閉じ込め状態の波動関数と有効質量の実験的定量化

2003 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 14550303
• Research Institution: HIROSHIMA CITY UNIVERSITY
• Principal Investigator: 田中 公一 広島市立大学, 情報科学部, 助教授 (40236584)
• Keywords: 分子線エピタキシー / 多重量子井戸 / 光電流 / 量子準位 / 許容遷移 / 禁止遷移 / 有効質量

Research Abstract

分子線エピタキシー装置(MBE)で作製されたIn_<0.53>Ga_<0.47>As/In_<0.52>Al_<0.48>As多重量子井戸構造の量子閉じ込め状態の研究を光電流分光法および光透過分光法を用いて行った。
井戸幅の異なる3種類のアンドープの多重量子井戸構造(各井戸幅5、9.4、20nm)の光電流スペクトルは階段構造を示し、光学バンド間遷移がはっきりと確認された。バイアス電圧を印加することによって得られた複数の光電流の差分スペクトルを含めた注意深い解析により、伝導帯と価電子帯の量子準位の等しい許容遷移、量子準位の異なる禁止遷移を同定し、そのエネルギーを推定できた。スペクトルから得られた量子準位を包洛線関数モデルにフィッテイングして井戸層に対して垂直の正孔や電子のバンドオフセットや有効質量を決定した。電子の有効質量はその量子準位のエネルギーに依存した。このとき、電子有効質量は伝導帯量子井戸の底でバルクのバンド端の有効質量と同じ大きさ(0.041m_0)でエネルギーと伴に緩やかに変化すると仮定すると、量子数が小さくて固有エネルギーの低い準位のエネルギー依存性も充分に考慮できて、電子有効質量はエネルギーの2次関数で表せる。電子有効質量は0.041m_0から0.08m_0まで増加した。
井戸幅10nmをもつアンドープと2種類の変調ドープの多重量子井戸構造に対する光透過測定においてもスペクトルは階段状となり、許容遷移が観測された。1.5×10^<12>cm^<-2>と0.5×10^<12>cm^<-2>に変調ドープされている試料では、基底準位がフェルミ準位よりも低いため、ドープにより生じた量子井戸構造内の電荷のバンドフィリング効果によって基底準位間の遷移が観測されなかった。100K〜330Kの温度で測定された各量子井戸構造のスペクトルの形には温度依存性がほとんどなく、その遷移エネルギーは井戸層のバンドギャップエネルギーの温度変化に依存するだけであった。電荷分布のポアッソン方程式と包洛線関数モデルに、有効質量などの物性パラメータを使って計算した量子準位や遷移エネルギーは、光透過実験ともよく一致した。また、積分計算により求めた吸収係数のスペクトルは光透過スペクトルをよく再現できた。

Research Products

• [Publications] K.Tanaka, N.Kotera, H.Nakamura: "Electric Field Effect for Eigen States in In_<0.53>Ga_<0.47>As/In_<0.52>Al_<0.48>As Multi-Quantum Wells Using Photocurrent Spectroscopy"16th International Conference on Indium Phosphide and Related materials 2004,5月(鹿児島). (発表予定). (2004)
• [Publications] N.Kotera, K.Ohshima, K.Tanaka, M.Washima, H.Nakamura: "Effect of doping in barrier on photo-reflectance spectra of InGaAs/InAlAs MQWs ; Donor-states and QW eigen-states"Proceedings of 15th Indium Phosphide and Related Materials Conference. IEEE, Catalog 03CH37413. 425-428 (2003)
• [Publications] K.Tanaka, N.Kotera, H.Nakamura: "Electric Field Effect for Eigen States in In_<0.53>Ga_<0.47>As/In_<0.52>Al_<0.48>As Multi-Quantum Wells Using Photocurrent Spectroscopy"Proceedings of IEEE/LEOS 3rd International Conference on Numerical Simulation of Semiconductor Optoelectronic Device. IEEE, Catalog 03EX726. 9-10 (2003)
• [Publications] K.Tanaka, T.Murata, N.Kotera, H.Nakamura: "Spectrum analysis of interband optical transmissions and quantitative model of eigen-energies and absorptions in In_<0.53>Ga_<0.47>As/In_<0.52>Al_<0.48>As multi-quantum well structures"Optical and Quantum Electronics. 34・7. 649-659 (2002)
• [Publications] Y.Tanoue, K.Tanaka, T.Kawano, K.Shibata, N.Kotera, H.Nakamura, M.Washima, M.Matsui: "Temperature Dependence of Eigen-energies Observed in Optical Transmittans of Doped and Undoped InGaAs/InAlAs MQWs"Proceedings of 14th Indium Phosphide and Related Materials Conference. IEEE, Catalog 02CH37307. 499-502 (2002)
• [Publications] K.Tanaka, N.Kotera, H.Nakamura: "Nonparabolic Tendency of Conduction Subbands in In_<0.53>Ga_<0.47>As/In_<0.52>Al_<0.48>As Multi-Quantum Wells by Photocurrent Spectroscopy"Proceedings of 14th Indium Phosphide and Related Materials Conference. IEEE, Catalog 02CH37307. 334-337 (2002)