2次元プラズモンを用いた高効率テラヘルツ光エミッタの試作

1996 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 06555003
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 助教授 (10183097)
• 研究分担者: 斎藤 敏夫 東京大学, 国際・産学共同研究センター, 助手 (90170513) ; 荒川 泰彦 東京大学, 国際・産学共同研究センター, 教授 (30134638)
• キーワード: 2次元電子 / プラズマ振動 / ガリウムひ素 / ヘテロ構造 / テラヘルツ / フェムト秒 / 極短寿命光伝導体 / 光伝導ダイポールアンテナ

研究概要

本研究は、半導体ヘテロ構造中の2次元電子のプラズマ振動を利用するという、従来とは異なる原理・アプローチにより、コンパクトな固体テラヘルツ光発光素子を開発することを目標としている。本年度は、特に、時間分解テラヘルツ分光法を用いてAlGaAs/GaAsヘテロ構造中の2次元電子プラズモンの励起・緩和過程について検討を行った。
極短寿命光伝導体とダイポールアンテナ構造を組み合わせた光伝導ダイポールアンテナとフェムト秒レーザからの光パルスを用いることにより、光励起直後の2次元電子のプラズマ振動が放出するバースト状の電磁波を100フェムト秒程度の時間分解能で測定することに成功した。プラズマ発光強度の温度依存性を検討したところ、室温付近においてはフォノン散乱が支配的なため、電子のドル-デ伝導によるブロードな発光スペクトルしか観測されないが、100K以下の低温になるに従ってフォノン散乱の抑制により、明瞭なプラズマ振動が観測された。またプラズモンによる時間分解プラズマ発光スペクトルとcw光吸収スペクトルを比較したところ、発光スペクトルから見積もられる緩和時間は、吸収スペクトルから見積もられるそれの約1/10程度であった。この差は、光吸収過程においては電子系の大角散乱のみがそのスペクトルを支配するのに対して、発光過程には全ての散乱が同じ重みで緩和をもたらすことに起因しており、磁気抵抗から求められる単一電子散乱時間との比較から、プラズマ振動の支配的な散乱要因がイオン化不純物散乱であることが明らかになった。

研究成果

• [文献書誌] K.Hirakawa: "Cdnerent submillimeter-wave emission from non-equilibrium two-dimensional free carrier plasmas in AlGaAs/GaAs heterojunction" Surface Science. 361/362. 368-371 (1996)
• [文献書誌] M.Vosseburger: "Radiative decay of optically excited coherent plasmons in a two-dimensional electron gas" Journal of the Optical Society of America B. 13. 1045-1053 (1996)
• [文献書誌] K.Hirakawa: "Giant negative far-infrared response of the diagonal magneto-resistance due to edge channel transport in the quantized.." Proc.of the 23rd Int.Conf.on the Physics of Semiconductors. 3. 2543-2546 (1996)
• [文献書誌] N.Sekine: "Ultrashort lifetime photocarriers in Ge thin films" Applied Physics Letters. 68. 3419-3421 (1996)
• [文献書誌] S.N.Wang: "Direct determination of bare confinement potentials in AlGaAs/GaAs split gate single quantum wires by far infrared.." Japanese Journal of Applied Physics. 35. L1249-L1252 (1996)
• [文献書誌] K.Hirakawa: "Supply-function dependent sequential resonant tunneling in semiconductor multiple quantum well diodes" Physica B. 227. 202-205 (1996)
• [文献書誌] K.Hirakawa,K.Yamanaka,M.A.Grayson,and D.C.Tsui: "Sepectroscopy of far infrared emission form two-dimensional plasmons in AlGaAs/GaAs heterojunctions" Applied Physics Letters. (to be submitted).
• [文献書誌] K.Agawa,K.Hirakawa,N.Sakamoto,Y.Hashimoto,and T.Ikoma: "Electrical properties of heavily Sidoped (311)A GaAs grown by molecular beam epitaxy" Applied Physics Letters. 65. 1171-1173 (1994)
• [文献書誌] 平川一彦: "メゾスコピック系の物理" 丸善, 18 (1996)