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(1)本研究では光技術と電子技術の境界領域にあって多面的な応用が期待されているTHz領域の電磁場を発生させる手法として、InAs量子ドットのサブバンド間エネルギーがTHz領域に相当することに着目し、このサブバンド間発光遷移をTHz領域の発光・発振源に応用することを目標に研究を行った。
(2)まずGaAs基板上のInAs量子ドット中に形成される量子化準位解析を行った。量子ドットのピラミッド上の形状とInAsとGaAsの間の格子歪の影響を考慮に入れ、3次元的な波動関数の解析をおこない、量子準位のエネルギーおよび発光の偏光特性を理論的に評価することに成功した。
(3)THz発光を念頭において、量子ドット構造の作製方法・条件の検討をおこなった。MBE法による作製とOMVPE法による作製の2つの手法を比較検討した結果、テラヘルツ発光材料として考えた場合、寸法分布が比較的小さく形状についても均一性の高いMBEドットが有理であることを明らかにした。
(4)作製した量子ドットのバンド間遷移の発光スペクトルをその偏光特性も含めて測定し、理論解析結果と比較検討することで量子ドットに形成されている量子化準位の同定を行った。その結果、6つの量子化準位が形成されていることが明らかとなり、波動関数の対称性から6種類のサブバンド間発光緩和が生じ得ることがわかった。
(5)量ドット層をi層とするPINフォトダイオードを作製し、電流注入により電子正孔対を量子ドットに供給することでサブバンド間発酵の観測を試みた結果、サブバンド間遷移に伴うTHz電磁波の観測に初めて成功した。また発光の注入電流依存性はモンテカルロシミュレーションを用いた理論計算結果とよく一致した。
(6)さらにTHz発光効率を増大させるため、積層量子ドットを利用して量子ドットにカスケード的に電子のみを注入するデバイスことを検討した。このデバイスにおけるキャリア緩和ダイナミクスをモンテカルロシミュレーションを用いて検討した結果、電子正孔対による注入方式と比較して、5倍程度の発光効率の増強が可能であることがわかった。また、電子正孔対注入方式では不可能であった、反転分布の形成も可能であることが判明し、誘導放出型デバイスによる更なる効率の改善も期待できることがわかった。
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