半導体における量子閉じ込め状態の波動関数と有効質量の実験的定量化

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14550303
• 研究機関: 広島市立大学
• 研究代表者: 田中 公一 広島市立大学, 情報科学部, 助教授 (40236584)
• キーワード: 分子線エピタキシー / 多重量子井戸 / 光電流 / 量子準位 / 許容遷移 / 禁止遷移 / 有効質量

研究概要

分子線エピタキシー装置(MBE)で作製されたIn_<0.53>Ga_<0.47>As/In_<0.62>Al_<0.48>As多重量子井尸構造の量子閉じ込め状態の研究を光電流分光法および光透過分光法を用いて行った。
各5、9.4、20nmの井戸幅をもつ3種類のアンドープの多重量子井戸構造の光学バンド間遷移が室温の光電流差分スペクトル上ではっきりと観測された。バイアス電圧を印加することによって、伝道帯と価電子帯の量子準位の等しい許容遷移、量了準位の異なる禁止遷移が観測された。量了準位の注意深い同定によりそのエネルギーが分かった。スペクトルから得られた量子準位を包洛線関数モデルにフィッテイングして井戸層に対して垂直の電子有効質量を工ネルギーの関数として決定した。このとき、量子数が小さくて固有エネルギーの低い場合の有効質量のエネルギー依1存性を充分に考慮するため、電子有効質量は伝導帯量子井戸の底でバルクのバンド端の有効質量と同じ大きさ(0.041m_0)で、エネルギーと伴に緩やかに変化すると仮定した。電子有効質量は0.04m_0から0.08m_0まで増加した。
10nmの井戸幅をもつアンドープと2種類の変調ドープの多重量子井戸構造では100K〜330Kの温度で測定された光透過スペクトルは階段状となり、許容遷移が観測された。スペクトルの形には温度依存性がほとんどなく、その遷移エネルギーは各試料とも同程度で、井戸層のバンドギャップエネルギーの温度変化に依存するだげであった。1.5×10^<12>cm^<-2>と0.5×10^<12>cm^<-2>に変調ドープされている試料では、基底準位がフェルミ準位よりも低いためバンドフィリング効果によって基底準位間の遷移が観測されなかった。エネルギーの関数として決定した有効質量などのパラメータを使って計算した量子準位は、変調ドープの試料の光透過実験ともよく一致し、計算による吸収係数のスペクトルは光透過スペクトルをよく再現できた。

研究成果

• [文献書誌] K.Tanaka, T.Murata N.Kotera, H.Nakamura: "Spectrum analysis of interband optical transmissions and quantitative model of eigen-energies and absorptions in In_<0.53>Ga_<0.47>As/In_<0.52>Al_<0.48>As multi-quantum well structures"Optical and Quantum Electronics. 34・7. 649-659 (2002)
• [文献書誌] Y.Tanoue, K.Tanaka, T.Kawano, K.Shibata, N.Kotera, H.Nakamura, M.Washima, M.Matsui: "Temperature Dependence of Eigen-energies Observed in Optical Transmittans of Doped and Undoped InGaAs/InAlAs MQWs"Proceedings of 14th Indium Phosphide and Related Materials Conference. IEEE, Catalog 02CH37307. 499-502 (2002)
• [文献書誌] K.Tanaka, N.Kotera, H.Nekamura: "Nonparabolic Tendency of Conduction Subbands in In_<0.53>Ga_<0.47>As/In_<0.52>Al_<0.48>As Multi-Quantum Wells by Photocurrent Spectroscopy"Proceedings of 14th Indium Phosphide and Related Materials Conference. IEEE, Catalog 02CH37307. 334-337 (2002)