半導体量子閉込め状態の波動関数と質量の実験的定量化(光素子設計理論)

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12650318
• 研究機関: 九州工業大学
• 研究代表者: 小寺 信夫 九州工業大学, 情報工学部, 教授 (60215291)
• キーワード: ナノメーター / 量子閉じこめ / 量子井戸 / エネルギー固有値 / 波動関数 / 有効質量 / 化合物半導体 / 光素子

研究概要

この1年間、InGaAs/InAlAs量子井戸構造について、理論解析上のよい研究成果があった。
過去の実験事実として、InGaAs/InP量子井戸構造では伝導帯のバンドオフセットΔEcが0.22eVと浅く、「質量が電子のエネルギー増加とともにおもくなる」原因は井戸(InGaAs)から電子がトンネルして障壁材料(InAlAs)にしみだす「波動関数しみだし」と報告されている。
本研究では、ΔEcが0.52eVのInGaAs/InAlAs量子井戸構造を用いた実験で、InGaAsのバンド構造が有するバンドのノンパラボリシティーが質量の増加原因と特定できた。また、狭い禁制帯幅をもつ単結晶バンド理論が17-34モノレーヤー厚さの「ナノメートル量子井戸にも適用可能である」と結論できた。井戸幅のことなる5,10,20nm量子井戸について定量的に理論実験が一致する。
(1)磁場なしの量子井戸のエネルギー固有値のすべてを、狭ギャップ半導体のバンド理論から導出でき、絶対値において理論実験が一致する。(2)磁場なしの量子井戸面に垂直な質量を定義し、絶対値が理論実験において一致する。(3)強磁場下サイクロトロンエネルギーの磁場依存性につき、広い磁場範囲で理論実験が一致する。(4)磁場ありの量子井戸面に平行な質量(サイクロトロン)質量を定義し、理論から質量の実験値を定量的に抽出できた。
さらにΔEcが1.7eVのInGaAs/AlAsSb量子井戸構造について、物性研究所の協力でサイクロトロン共鳴実験までが完了している。

研究成果

• [文献書誌] K.Shibata,K.Tanaka,N.Kotera: "Application of Band Theory of Narrow-Gap Semiconductors to Experimental Eigen-State Energies"Proceeding of Narrow Gap Semiconductors (NGS-10, Hekusiku). (採択).
• [文献書誌] N.Kotera,H.Arimoto,N.Miura,Y.Ueki,K.Tanaha: "Electron Effective Man and Nonparabolicity in InGaAs/InAlAs Quantum Wells Lattice-Matched"Physica E. (採択).
• [文献書誌] N.Kotera,H.Arimoto,N.Hiora,M.Washima: "Observation of Nonparabolic Conduction Subbands in InGaAs/InAlAs Multi-Quantum Wells"Physica E. 9. 231-235 (2001)
• [文献書誌] K.Tanaka,T.Murata,N.Kotera,H.Nakamura: "A Modeling of an InGaAs/InAlAs Multi-Quantum Well Structure Using Photocurrent Spectrosopy"Proceeding of 12th International Conference on In Pand Related Materials. #00CH37107. 158-161 (2000)
• [文献書誌] N.Kotera,H.Arimoto,N.Miura,K.Tanaka: "Nonparabolic Effective Masses of Conduction Subbands in InGaAs/InAlAs Quantum Wells"Physica B (Proceeding of International Conf.on High Magnetic Fields). (採択).
• [文献書誌] K.Tanaka,Y.Ueki,K.Shibata,N.Kotera: "Nonparabolic Conduction Subbands in Nanoscale InGaAs/InAlAs Quantum Wells"Proceedings of International Conference on Superlattice, Microstructures and Microdevices. (採択).
• [文献書誌] K.Tanaka,Y.Tanoue,K.Shibata,Y.Ueki: "A Quantitative Modeling of InGaAs/InAlAs Multi-Quantum Well Structures"Proceedings of International Symposium on Compound Semi conductors. (採択).
• [文献書誌] K.Tanaka,N.Kotera,H.Nakamura: "Estimation of Electron Effective Mass in InGaAs/InAlAs Muti-Quantum Well"Microelectronic Engineering. 47. 309-311 (1999)
• [文献書誌] K.Tanaka,N.Kotera,H.Nakamura: "Nonparabolic Tendency of Electron Effective Mass Estimated by Confined States"Superlattices and Microstructures. 1. 17-22 (1999)