半導体ナノ構造における超高速光・電子相互作用の制御と次世代超高性能レーザへの応用

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 07405018
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 荒川 泰彦 東京大学, 国際・産学共同研究センター, 教授 (30134638)
• 研究分担者: 榊 裕之 東京大学, 先端化学技術研究サンター, 教授 (90013226) ; 藤井 陽一 東京大学, 生産技術研究所, 名誉教授 (00013110)
• キーワード: 量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / 微小共振器 / レーザ / 化合物半導体 / 光デバイス

研究概要

本研究では、半導体ナノ構造における光および電子の超高速相互作用を制御し、さらに次世代の超高速レーザの可能性を探索することを目的とし、
(1)光子を制御するために「3次元微小共振器」を、また電子を制御するために「ナノ構造(量子箱)」の実現の実現技術を確立する。(2)単一もしくは特定の複数の量子箱に光学的にアクセスし、個々の電子正孔対と光子とのフェムト秒領域における相互作用を明らかにしその制御をはかる。このために、フェムト秒分光技術と光Near Field効果を伴うSTM技術を駆使する。(3)微小共振器と量子箱構造により光子と電子の相互作用を完全に制御した半導体レーザを実現し、その超低しきい値化、超高速化をはかり、次世代の半導体レーザのあり方を浮き彫りにする。
という3つの柱で研究をすすめている。
本年度は、量子ドットの新しい作製法として、選択成長を用い2次元V溝構造を形成しその中に量子ドットを成長させる手法を開拓した。特に、前者においては垂直量子細線も形成可能であることを示すとともにせき層構造も作製した。また、量子ドットの局所的評価手法として、近接場光学顕微鏡による量子ドットからの発光の観測を行い、強磁場における量子ドット中の電子のスピン分裂の観測に世界で初めて成功した。また、低温STMを用いたトンネル発光の実験を量子ドットについて初めて行い、単一量子ドットからの発光を確認するとともに分光に成功した。これらの結果はナノテクノロジー技術の開拓に重要なインパクトを与えるものである。さらに、量子ドット中のキャリアダイナミックスを時間分解測定により明らかにするとともに、微小共振器型量子ドットレーザの発振に成功し、ピコ秒光パルスの生成を行った。また電子とフォノンとの相互作用について理論研究を行い、いわゆるフォノンボトルネックは殆ど問題にならないことを初めて示した。2次元フォトニック結晶における新欠陥構造の提案と解析をさらに進めた。以上の研究により次世代の半導体レーザのあり方を浮き彫りにすることができた。

研究成果

• [文献書誌] Xin-Qi Li and Y.Arakawa: "Utrafast Energy Relxation in Quantum Dots through Defect States : A Lattice Relaxation Approach" Phy.Rev.Lett.B56. 10423 (1997)
• [文献書誌] T.Saito, J.N.Schulman, and Y.Arakawa: "Strain distribution and electronic structure of InAs quantum dots on GaAs : Atomic scale calculations" Physics of Low-Dimensional Structures. 11/12. 19-26 (1997)
• [文献書誌] K.Suzuki, R.A.Hogg, K.Tachibana and Y.Arakawa: "Density Control of GaSb/GaAs Self-assombled Quantum Dots (-25nm) Grown by Molecular Beam Eqitaxy" Jpn.J.Appl.Phys.vol.37 No.2B. L-203 (1998)
• [文献書誌] S.Ishida and Y.Arakawa: "Seeded Self-assembling GaAs Quantum Dots Grown in Two-dimensional V-Grooves by Selective Metal Organic Chemical Vapor Deposition" Appl.Phys.Lett.72(2). 838-840 (1998)
• [文献書誌] N.Kamata, K.Hoshino, T.Uchida, K.Yamada, M.Nishioka and Y.Arakawa: "Sensitive Detection of Below-Gap States by Two-Wavelength Excitation Spectoroscopy in Single-Photon-Counting Region" J.Luminescence. 72-74. 797-798 (1997)
• [文献書誌] N.Kamata, K.Hoshino, T.Uchida, K.Yamada, M.Nishioka and Y.Arakawa: "Up-Conversion Luminessence via a Below-Gap State in GaAs/AlGaAs Quantum wells" Superlattices and Microstructures. 22. 521-528 (1997)
• [文献書誌] T.Ando, Y.Arakawa, et.al.: "Mesoscopic Physics and Electronics" Springer, 271 (1997)