2021 Fiscal Year Research-status Report
Photoconductive devices based on quantum dot superlattice for THz generation and detection
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19K04532
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
和田 修 神戸大学, 産官学連携本部, 非常勤講師 (90335422)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小島 磨 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (00415845)
海津 利行 神戸大学, 工学研究科, 助教 (00425571)
原田 幸弘 神戸大学, 工学研究科, 助教 (10554355)
北田 貴弘 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 特任教授 (90283738) [Withdrawn]
南 康夫 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 准教授 (60578368)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | InAs量子ドット / 量子ドット超格子 / 低温成長GaAs / 光伝導アンテナ（PCA） / 超高速キャリア緩和 / 電場増強構造 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は量子ドット（QD）超格子を有する光導電アンテナ（PCA）デバイスの光・電気静特性評価に重点をおいて研究を進めた。検討用試料は、半絶縁性GaAs基板上に成長したInAs/GaAs QD層(20層)積層構造で、メサ構造PCA素子（電極間ギャップ6 μm）を作製し、計測用マウントに実装して使用した。
量子ドット準位励起光照射下における光電流特性を測定した結果、弱励起ではQD基底準位、励起準位による光電流ピークが現れ、光電流は励起光強度に対して線形に増大するが、強励起ではサブリニアな依存性を示した。レート方程式による光電流の励起光強度依存性の解析を行った結果、弱励起ではQD準位のキャリアの熱脱出による光電流生成が支配的であるが、強励起ではGaAs バンドギャップ中の準位にトラップされたキャリアの光励起が強く影響することが明らかになった。この結果は、光通信波長帯の光励起下での動作に対応できる可能性を示唆するものである。
一方、光電流の半導体材料特性との関係を調べるために、光誘起電流のマッピング計測を行った。PCAと同一の結晶構造を用いて電極ギャップ長が大きい（100 μm以上）素子を製作し、独自に構築した顕微光学系を用いて、この素子の電極間表面にレーザービーム（径約1 μm、波長532 nm）を掃引照射することで光電流2次元マップを得た。印加電圧依存性から、電極近傍のバンド形状ベンドしており、電極がショットキー接合的になっていることが分かった。また、電極間の光電流プロファイルから、キャリアの拡散長が約3.5 μmであることが分かった。これらの結果は、既に行った超高速光パルスによるキャリア寿命測定の結果と矛盾せず、上述の光電流の励起光強度依存性とあわせてPCA素子構造設計および光励起条件決定に関する有益な知見が得られた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
これまでの研究で、量子ドットPCA素子の静的特性の検討は進んだが、動特性についての検討はまだ十分でない。本年度は、波長帯800 nm帯および1550 nm帯で以下の検討を進めた。
800 nm帯では、ダイポールアンテナ電極付きの量子ドットPCA素子を使用して、波長が異なる連続波レーザー光を二つ照射し、差周波混合によるテラヘルツ電磁波の発生について調べた。特に光電流値の励起光強度依存性に注目して調査した。二つのレーザー光を同一強度で照射させる場合、本来は一つのレーザー光を照射した場合の2倍の光電流が生じると考えられる。しかし実験結果では、レーザー光強度が低い場合は、レーザー光強度に対する線形性が保たれたが、レーザー光強度を増加させると、二つのレーザー光を照射した場合に電流値が2倍よりも小さくなる、すなわち光電流が減少する現象が見られた。この現象を解釈するために、この高励起領域でテラヘルツ電磁波が検出されるものと仮定すると、この高励起領域では、生成されたキャリアまたは電流がテラヘルツ電磁波の発生に寄与するようになるものと考えられる。この解釈はテラヘルツ波発生の可能性を示すものと期待できるが、まだ確定されたものではないので次年度検証を予定している。
一方、1550 nm帯超高速レーザーパルス光を用いた時間領域分光システムを構築し、量子ドットPCAによるテラヘルツ波発生（検出）の実験系の整備を行った。本年度は、光学測定系の調整および素子への電圧印加方法の確認など、実験進行に役立つ成果を得ることができ、次年度テラヘルツ波実証に活用していく段階に達した。
本年度は、コロナ禍に伴う実験の遅れによってPCA特性評価において計画の実行に多少の遅れが生じているが、次年度テラヘルツ波の関する実験を進めることによって初期目標を達成する予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、これまでに作製した量子ドットPCAによるテラヘルツ波発生および検出に関する実験的検討に重点を置いて検討を進める。800 nm波長帯の光励起を用いた検討では、本年度に得られた差周波発生によるテラヘルツ波発生の検証を進めるための方策を検討する。
また、テラヘルツ波特性と量子ドットPCAにおけるキャリア寿命など量子ドット材料特性との相関を明らかにする実験を進める予定である。1550 nm波長帯励起の検討では、本年度構築した分光システムの最適化を進めることによりテラヘルツ発生または検出特性を明らかにしていく予定である。
一方、PCAのテラヘルツ発生および検出特性の増強のためには、PCA内光吸収の増強のためのDBR反射鏡を有するPCA構造、およびテラヘルツ電界増強を可能とするブルズアイアンテナ構造を導入することが有効であり、本年度までにこれらの基礎的検討を行ってきた。次年度には、作製プロセスの検討を進めこれらを導入した集積化PCA構造の実現可能性を明らかにする。特に、ブルズアイアンテナ構造については詳細構造の設計が重要であるため、次年度電磁場解析手法の最適化を進めることにより詳細構造設計を達成し、電界増強効果およびPCA性能向上効果の評価を行う予定である。
これらの計画によって、量子ドットを用いたPCA素子におけるテラヘルツ発生および検出特性の向上の効果を明らかにしていく予定である。
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| Causes of Carryover |
本年度はコロナ禍による実験の遅れによる材料・部品購入の遅延、学会・研究会などへの参加・発表経費、論文発表費用などの使用に遅延が生じた。次年度には、残予算を使用してこれらを進めることにより、研究目標を達成する予定である。
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[Presentation] 光電流マッピング法を用いた多重積層InAs/GaAs量子ドット構造光伝導アンテナの電気特性評価2021
Author(s)
南康夫, 中塚 玲雄, 北田 貴弘, 原田 幸弘, 海津 利行, 小島 磨, 喜多 隆, 和田 修
Organizer
2021年第82回応用物理学会秋季学術講演会, 12p-N303-9, 講演予稿集, p. 12-201, オンライン
