短波長化サブバンド間遷移を用いた超高速光制御光変調の研究

1997 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09450030
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 野田 進 京都大学, 工学研究科, 助教授 (10208358)
• キーワード: 量子井戸 / サブバンド間遷移 / 光制御光変調 / InGaAs / AlAs量子井戸

研究概要

本研究においては、短波長化サブバンド間遷移波長をもつn型のInGaAs/AlAs量子井戸を用いて、超高速の光制御光変調を実現することを目的として研究を進めている。この目的達成のために重要なことは、(a)サブバンド間共鳴光(制御光)を入射しない場合のバンド間共鳴光(信号光)に対する吸収、すなわち基礎吸収を十分小さくし、かつ(b)変調効率そのものを大きくするため、InGaAs/AlAs量子井戸における伝導帯第一準位における電子濃度を十分大きくしておくことである。この材料系では、AlAsのX谷(間接遷移の谷)が、Γ谷(直接遷移の谷)よりも下にあり、かつその状態密度が極めて大きいことから、InGaAs量子井戸層に添加した電子が、構造によっては、バリア層であるAlAsのXバンド谷まで逃げてしまうことが懸念される。そこで本年度は、InGaAs/AlAs量子井戸において、InGaAs量子井戸層のIn組成、バリア層の膜厚、成長温度等を系統的に変化させ、第一量子準位における電子密度が十分に高くなる条件を見出し、光変調に適した構造を実現することを目指して研究を行った。
まず、量子井戸の成長には、現有のMBE装置を用いた。InGaAs量子井戸の第一量子準位の電子濃度を増加させるため、(a)これまでの研究で用いてきたIn組成0.2を、より大きな組成である0.3〜0.4と大きくし、InGaAs量子井戸層の第一量子準位のエネルギーを低くした。また(b)AlAsバリア層の幅は、これまで16ML程度と比較的大きなものを用いてきたが、AlAsのX谷のエネルギーを量子効果により大きくすることにより相対的にInGaAsの第一量子準位を低くすることを目的に、その層厚を減少させた。さらに(c)Inを含むMBE成長において最も問題になるのは、Inの原子半径が大きいため、成長中に表面に偏析することである。この偏析は、等価的にInGaAs井戸幅の減少につながり、ひいては、量子効果により第一量子準位のエネルギーの増大につながることになり、この場合も電子がAlAsバリア層のX谷に逃げ出すことにつながる。従って、ここではIn偏析を押さえるため、成長温度をこれまでの480〜520℃から400℃へと下げた。上記の(a),(b),(c)の各種条件で成長した量子井戸に対し、赤外分光法によりサブバンド間遷移を測定し、その吸収量がどのように変化するかを調べた。その結果、低い成長温度の利用(400℃)、井戸層In組成の増加(0.4まで)および障壁層幅の低減(8MLまで)により、電子の障壁層への漏出を抑制するが可能であることを示し、吸収強度を最適化前の12倍にまで増加させることに成功した。また次年度の光-光変調実験に備え、OPAレーザシステムを構築し1〜10μmにおいて、150fs程度の超短パルス発生ができるようにした。

研究成果

• [文献書誌] T.Asano, S.Noda, et al.: "Inuestigation of short wavelength intersubband transitions in InGaAs/AlAs quantum wells on GaAs substrate" J.Appl.Phys.82・7. 3385-3391 (1997)
• [文献書誌] T.Asano, S.Noda, et al.: "Enhancement of Absorption Magnitude of Short Wavelength Intersubband Transition in InGaAs/AlAs Quantum Wells" Jpn.J.Appl.Phys.(May) (in press). (1998)
• [文献書誌] T.Asano, S.Noda, et al.: "Absorption Magnitude and Phase Relaxation Time in Short Wavelength Intersubband Transitions in InGaAs/AlAs Quantum Wells on a GaAs Substrate" Physica E : Low-dimensional Systems and Nanostructures. (in press). (1998)
• [文献書誌] S.Noda: "Ultrafast Interband-Resonant Light Modulation by Intersubband-Resonant Light in Quantum Wells" Springer Sevies on Femtsecond Technology. (in press). (1998)
• [文献書誌] S.Noda: "Functional Devices Utilizing Intersubband Transition in Quantum Stracture" Tech.Digest of International Topical Workshop on Contemporary Photonic Technologies (CPT'98). 95-98 (1998)
• [文献書誌] T.Asano, S.Noda, et al.: "Pump & Probe Measurement of Energy Relaxation Time in Short Wavelength Intersubband Transition" International Workshop on Femtsecond Technology,1998,Tsukuba. (paper No.7). (1998)