量子ドットのサブバンド間遷移を用いた高効率THz発光デバイスの研究

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11450123
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 京都大学
• 研究代表者: 野田 進 京都大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (10208358)
• キーワード: テラヘルツ電磁波 / 量子ドット / サブバンド間遷移 / フォノンボトルネック / 偏光フォトルミネッセンス

研究概要

(1) 本研究の目標は、量子ドットのサブバンド間遷移を用いたテラヘルツ発振器を実現することである。完全なエネルギー準位の離散化が可能な量子ドットは、フォノンボトルネックにより非発光緩和過程が抑制されるため、テラヘルツ領域での強いサブバンド間発光、さらには反転分布が容易に得られるものと期待される。本年度は第一段階として、量子ドットのサブバンド間遷移に基づくテラヘルツ域自然放出の発光強度を測定することを目標に研究を行った。
(2) 量子ドットは(主に)MBE法によりGaAs基板上にInAsをSKモードで成長させる方法を用いて自己形成的に作製した。作製した量子ドットの形状をAFM、TEM等の手法を用いて観測し、その形状を元に内部歪みを考慮してSchrodinger方程式を有限要素法により解き、ドット内部に閉じこめられる電子のエネルギー準位を求めた。つぎに試料の偏光フォトルミネッセンス特性(バンド間)を測定し、理論計算との比較によりドット内に形成されるエネルギー準位を同定した。得られたエネルギー準位をもとにサブバンド間発光特性を理論的に見積もったところ、この量子ドットで波長1〜10THzのテラヘルツ電磁波の発光が生じ得ることが分かった。
(3) サブバンド間発光の観測は電子・正孔対をそれぞれ量子ドット中に注入し、電子が伝導帯のサブバンド間を緩和する際に発生する自然放出光を捕らえることにより行った。試料はInAs量子ドット層をp型GaAsおよびn型GaAs中に埋め込んだPinダイオード構造とした。今回の測定では分光を行わず、Ge:BeおよびGe:Gaディテクタにより直接、試料の発光強度を測定した。ただしブラックポリエチレンをフィルタとして用いて赤外域から短波長側の発光は除去した。また、目標の波長域においては熱放射の影響が大きいと考えられるため、試料には熱の応答が遮断されると考えられる5〜10kHz以上の繰り返し周期でパルス電流を注入し、ロックイン検出を行った。また試料温度も種々に変化させるなど、熱の影響を分離しつつ測定を行った結果、確かに量子ドットのサブバンド間遷移に起因するテラヘルツ領域の発光を捉えることに成功した。
(4) これらの成果をもとに次年度はサブバンド間発光スペクトルの分光測定を行い、さらにカスケード的な電流注入による発光効率の増大などを試みる予定である。

研究成果

• [文献書誌] Y.Furukawa,S.Noda,et al.: "Observation of Teraherz Spontaneous Emission due to Intersubband Transition in InAs/GaAs"J. Appl. Phys.. (to be published). (2000)
• [文献書誌] Y.Furukawa,S.Noda,et al.: "Stacking Number Dependence of Size Distribution of Vertically Stacked InAs/GaAs Quantum Dots"IEEE J. Electronic Materials. vol.28. 452-456 (1999)
• [文献書誌] T.Tanaka and S.Noda: "Ultra-short pulse propagation in 3-D Photonic Band Gap Structure"IEEE Conference Proceedings on Teraherz Electronics, Nara, Japan. 249-252 (1999)
• [文献書誌] Y.Furukawa,S.Noda,et al.: "Observation of Tera-Herz Electromagnetic Wave Emission from InAs/GaAs Quantum Dots"OSA Technical Digest Series of CLEO'99. 288-289 (1999)
• [文献書誌] T.Asano,S.Noda: "Direct measurement of ultrafast all-optical modulation using intersubband transition"Conference Proceedings of FST'99. WC24 (1999)
• [文献書誌] Y.Furukawa and S.Noda: "Difference of Anisotropic Structures of InAs/GaAs Quantum Dots between Organometallic Vapor Phase Epitaxy and Molecular Beam Epitaxy"J. Crystal Growth. (to be published). (2000)