半導体リッジ型ナノ構造における近接場光の分布と光学遷移

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11122205
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 秋山 英文 東京大学, 物性研究所, 助教授 (40251491)
• 研究分担者: 馬場 基芳 東京大学, 物性研究所, 教務職員 (60159077) ; 吉田 正裕 東京大学, 物性研究所, 助手 (30292759)
• キーワード: 近接場 / 半導体ナノ構造 / 量子構造 / リッジ / 遷移確率 / ソリッドイマージョンレンズ / 顕微鏡

研究概要

鋭く尖ったリッジ型ファセット成長ナノ構造試料に対し、ソリッドイマージョン(SIL)近接場蛍光顕微分光法を用いて近接場光をピックアップし観察を行った。SILはマイクロボールを半球型もしくはレンズ中心からr/nの高さで底面加工したレンズ(ワイエルストラス球型)で理想的には球面収差はない。これを通常の光学顕微鏡の対物レンズと組み合わせて発光画像計測を室温および低温で行った。
その際、分解能の向上のみならず、検出効率の著しい向上が確かめられた。これを理解するために、誘電体界面上やその近傍に存在する分子からの双極子放射過程を物理的に考察し、実験結果の解釈を得た。これらは、近接場顕微鏡一般に関わる問題を含むとともに、特に単分子計測など化学・生物・医学への応用にも有用と思われる。
さらに、この効果を研究するために、蛍光色素をドープした半径110nmのポリスチレンビーズをもちいて、n=1.687の半球型SILにそのビーズを付着させ、空気側とSIL側から、反射型励起蛍光顕微鏡を行い、得られる蛍光強度を比較した。NA=0.55の対物レンズで7.5倍、NA=0.8の対物レンズで12倍もの検出蛍光強度の増大が観測された。ケーラー照明光がSILによりn^2=2.85ぶんだけ集光されることを考慮に入れると、NA=0.55と0.8の場合のそれぞれの検出効率(SIL側/空気側)は、2.6および4.2倍改善していることになる。半球型SILの表面近くに置かれた蛍光体からの蛍光放射パターンを計算したところ、蛍光が、屈折率の高いSILの側に強く片寄っていることがわかり、実験結果を定量的に再現できることがわかった。

研究成果

• [文献書誌] S. Watanabe: "Microscopy of electronic states contributing to lasing in ridge quantum wire laser structure"Appl. Phys. Lett.. 75. 2190-2192 (1999)
• [文献書誌] S. Koshiba: "Selective molecular beam epitaxy (MBE) growth of GaAs/AlAs ridge structures containing 10 nm scale wires and side quantum wells (QWs) and their stimulated emission characteristics"J. Crystal. Growth. 201/202. 810-813 (1999)
• [文献書誌] S. Koshiba: "Fabrication and Control of GaAS/AlAs 10 nano-meter scale Structure by MBE"Transaction of the Materials Research Society of Japan. 24[1]. 93-96 (1999)
• [文献書誌] M. Yoshita: "Carrier transfer in facet-growth GaAs quantum wells studied by solid immersion photoluminescence microscopy"J. Phys. Conf. Ser. No.162/Compound Semiconductors. 162. 143-148 (1999)
• [文献書誌] M. Baba: "Aberrations and allowances for errors in hemisphere solid immersion lens for submicron-resolution photoluminescence microscopy"J. Appl. Phys.. 85. 6923-6925 (1999)
• [文献書誌] M. Baba: "Application of solid immersion lens to submicron resolution imaging of nano-scale quantum wells"Opt. Rev.. 6. 257 (1999)
• [文献書誌] K. Koyama: "High collection efficiency in fluorescence microscopy with a solid immersion lens"Apply. Phys. Lett.. 75. 1667-1669 (1999)
• [文献書誌] J. Kono: "Picosecond time-resolved cyclotron resonance in semiconductors"Appl. Phys. Lett.. 75. 1119-1121 (1999)
• [文献書誌] Y. Hanamaki: "Spontaneous emission alteration in InGaAs/GaAs vertical-cavity surface-emitting laser structures"Semicond. Sci. Technol.. 14. 797-803 (1999)
• [文献書誌] H. Sasaki: "10nm-scale edge-and step-quantum wires and related structures: Progress in their design, epitaxial synthesis and physics"Physica E. 4. 56-64 (1999)
• [文献書誌] T. Matsusue: "Coherent dynamics of excitons in an island-inserted GaAs/AlAs quantum well structure: Suppression of phase relaxation and a deep quantum beat"Jpn. J. Appl. Phys. 38. 2735-2740 (1999)
• [文献書誌] Hi Yaguchi: "Time-resolved photoluminescence of cubic GaN grown by metalorganic vapor phase epitaxy"Phys. Stat Sol. (b). 216. 237-240 (1999)