コヒーレント領域における電子・光子相互作用

1994 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06238206
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 荒川 泰彦 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (30134638)
• 研究分担者: 清水 明 東京大学, 教養学部, 助教授 (10242033) ; 伊賀 健一 東京工業大学, 精密工学研究所, 教授 (10016785)
• キーワード: 量子細線 / 量子ドット / 多重量子障壁 / MOCVD法 / 電子スペクトル / 多体エネルギー / コヒーレント

研究概要

本計画班では、量子光学と半導体のメンスコピック系の物理という二つの学問領域に立脚しつつ、半導体中の電子と光の量子相互作用について研究を推進し、新概念を有する半導体光デバイスの実現をはかる。さらに、従来制御不能と思われていた自然放出などの光の量子現象を微小共振器により、また、電子波を量子細線・量子ドット構造および多重量子障壁(Multi Quantum Barrier:MQB)により、それぞれ積極的に制御することにより、新たな量子相互作用を人工的に創り出しかつ制御を積極的に行う。また、量子系をそのコヒーレンス性を保ったまま相互作用をうまく制御することにより外部系と結合させるための新しい手法を探索する。
本年度は、まず半導体量子ドットの作製技術について研究をすすめた。特にMOCVD法を用いた幅15nmのInGaAsドットの作製に成功した。また、単一量子ドットの電子と光子の相互作用をマイクロフォトルミネッセンス法を用いて究明し、単一量子ドットからの発光を観測した。さらに単一量子ドットからの時間分解スペクトルの観測も行うことに成功した。これらの結果はナノスケール電子-光相互作用の解明に有用である。
可視光および通信用の半導体レーザは、二重ヘテロ構造における電子の閉じ込めが十分でないため、高温・高出力動作時や大規模な集積化の際に十分な電気・光変換効率が得られない。これらの問題を解決するため、伊賀らは電子の波動性を利用した電子の反射鏡、多重量子障壁(Multi-Quantum Barrier:MQB CXC)を提案し、MQBの電子波反射現象の理論的基礎の確立、MQBの試作・評価によりその効果についての基礎的な検討を行った。
いわゆる仮想励起過程において、光子数が保存されながらも波長が赤方変位する場合があることを見い出した。また、光励起された擬2次元系の電子スペクトルを考察し、多体エネルギーの凍結現象を発見した。さらに、「ひねられた真空」からの光子放出を考察した。また、電子回路理論のミクロな基礎付けを行った。
以上述べた本年度の成果は電子光コヒーレント相互作用の物理の理解に大きな進展をもたらすとともに、次世代の光量子デバイスの新しい展開を実現できるものとして期待できる。
本年度の成果をふまえてさらに第2年度において研究を遂行していきたいと考える。

研究成果

• [文献書誌] R.J.Helkey: "〃Cavity Optimization for Minimum Pulsewidth of Gain-Switched Semiconductor Lasers〃" IEEE Photonics Technology Letters. Vol.7. (1995)
• [文献書誌] T.Kono: "〃Exciton Radiative Lifetime in GaAs Quantum Wires grown by Metal Organic Chemical Vapor Selective growth〃" Applied Physics Letters. Vol.64. 1564-1566 (1994)
• [文献書誌] M.Willatzen: "〃Polarization Dependence of Optoelectronic Properties in Quantum Dots and Quantum Wires---Consequences of Valence-Band Mixing〃" IEEE J.of Quantum Electronics. Vol.30. 640-653 (1994)
• [文献書誌] T.Arakawa: "〃Fabrication of vertical-microcavity quantum wire l asers〃" Applied Physics Letters. Vol.64. 2200-2202 (1994)
• [文献書誌] Y.Nagamune: "〃GaAs Quantum Dots with Lateral Dimension of 25nm Fabricated by Selecrive Metal Organic Chemical Vapor Deposition Growth〃" Applied Physics Letter. Vol.64. 2495-2497 (1994)
• [文献書誌] Y.Arakawa: "〃Fabrication of Quantum Wires and Dots by MOCVD Selective Growth〃" Solid-State Electronics. Vol.37. 523-528 (1994)
• [文献書誌] T.Kono: "〃Excutive Radiative Lifetime in GaAs Quantum Wires:Wire Width Dependence〃" Springer Series in Materials Science. Vol.31. 140-144 (1994)
• [文献書誌] Y.Nagamune: "〃Magneto-optical efffect in GaAs quantum wires:wire width dependence〃" Springer Series in Materials Science. Vol.31. 145-147 (1994)
• [文献書誌] S.Wakabayashi: "〃Fabrication of AlGaAs/GaAs Multi-QWRS with 15nm Wire Width Using〃" Springer Series in Materials Science. Vol.31. 194-196 (1994)
• [文献書誌] Y.Inaba: "〃Growth of GaInAs(P)/InP multi-quantum barrier(MQB)by chemical eam epitaxy〃" Journal of Crystal Growth. Vol.136. 297-301 (1994)
• [文献書誌] T.H.Loh: "〃Strain-compensated multi-quantum varriers for hot electron leakage reduction in long-wavelength semiconductor lasers〃" Extended Abstracts of Jpn.Soc.Appl.Phys. No.21a. (1994)
• [文献書誌] 稲葉雄一: "〃GaAsP/InP MQB装荷レーザにおけるホール注入の検討〃" 1994年春季第41回応用物理学会関係連合講演会. 30a-K-6. (1994)
• [文献書誌] Y.Nagamune: "〃Optical Properties of GaAs Quantum Dots Fabricated by MOCVD Selective Growth〃" Solid-State Electronics. Vol.37. 579-581 (1994)
• [文献書誌] J.Oshowo: "〃Highly uniform InGaAs/GaAs quantum dots(^-15nm)by metalorganic chemical vapor deposition〃" Applied Physics Letters. Vol.65. 1421-1423 (1994)
• [文献書誌] T.Tanaka: "〃Magneto-exciton in quantum wires confined with an anistropic parabolic potential〃" Physical Review B. Vol 50. 7719-7723 (1994)
• [文献書誌] T.Norris: "〃Time-resolved vacuum Rabi oscillations in a semiconductor quantum microcavity〃" Physical Review B. Vol.50. 14663-14666 (1994)
• [文献書誌] J.Oshinowo: "〃Area Density Control of Quantum-Size InGaAs/Ga(Al)As Dots by Metalorganic Chemical Vapor Deposition〃" Jpn.Journal of Applied Physics. Vol.33. L1634-L1637 (1994)
• [文献書誌] Y.Arakawa: "〃Quantum Wires and Quantum Dots for Fully Confined Semiconductor Lasers〃" Springer Series in Materials Science. Vol.31. 199-207 (1994)
• [文献書誌] A.Shimizu: "〃Photon-energy dissipation caused by an external electric circuit in 〃virtual〃 Photo-excitation processes〃" Phys.Rev.Lett.Vol.72. 3343-3346 (1994)
• [文献書誌] A.Shimizu: "〃Quantum Measurement and Fluctuations in Nanostructures〃" Nanostructures and Quantum Effects,Springer Series in Material Science. Vol.31. 35-47 (1994)
• [文献書誌] H.Akiyama: "〃Thermalization Effect on Radiative Decay of Excitons in Quantum Wires〃" Phys.Rev.Lett.Vol.72. 924-927 (1994)
• [文献書誌] 荒川泰彦(分担): "〃メゾスコピック現象の基礎(難波進編)〃" オーム社, 13 (1994)
• [文献書誌] J.Osinowo: "〃Highly uniform InGaAs quantum dots(15nm)by MOVPE on GaAs,Metalorganic Vapor Phase Epitaxy 1994〃" North Holland Elsevier, 2 (1994)