光熱変換分光法による超薄膜半導体量子構造の光吸収スペクトル

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15560020
• 研究機関: 宮崎大学
• 研究代表者: 碇 哲雄 宮崎大学, 工学部, 教授 (70113214)
• 研究分担者: 横山 宏有 宮崎大学, 工学部, 助手 (50315355) ; 福山 敦彦 宮崎大学, 工学部, 助教授 (10264368)
• キーワード: 半導体レーザー / 非輻射電子遷移 / 化合物半導体 / 半導体量子井戸 / 光学吸収スペクトル / 励起子吸収

研究概要

ガリウム砒素上に作製されたGaInAs, GaInNAs薄膜は現在光電子デバイス(フォトエレクトロニクス材料、特に赤外光ファーバー信号変換デバイス)として非常に注目を集めている材料であるが、その光学物性は吸収係数さえもはっきり分かっていなかった。その一つの理由は、通常の方法では超薄膜の光吸収スペクトル測定が困難であることである。そこで、デバイスの劣化を支配する非輻射電子遷移を、光熱変換分光法を用いて研究した。
(1)ガリウム砒素基盤上に作製した超薄膜のPPTS信号スペクトルを室温以下液体He温度まで極低温クライオスタットを用いて測定した。基板材料の光吸収係数が大きいために、試料と検出器の位置関係を考慮し、十分な信号強度が得られるよう装置を改造した。
(2)本実験ではスペクトル測定のため測定光の波長を変化させるが、基板の厚さが0.3mm程度と厚いため光吸収係数が大きいときには基板照射面表裏の熱分布によりたわみが生じる。この基板のたわみも、PZT検出器によって検出されるので、この影響を除去する方策が必要であり、新たな実験手法によってこの問題は解決出来た。
(3)超薄膜試料のPPTS信号から光吸収スペクトルを求め、量子井戸における電子状態密度のエネルギー分布を求めた。厚さ及び測定温度をパラメーターとして測定を行い、量子化された電子状態密度を測定できた。
(4)二次元構造内での励起子結合エネルギーについて調べ、特に膜圧が小さいときの量子化の様子と、電子波動関数の広がりを見いだした。
(5)ヘテロ構造のため界面に存在すると思われる電場によるキャリー移動が、光熱信号に重要な影響を及ぼしていることを確認した。
(6)以上の結果を国際的学術雑誌に公表すると共に、国際会議において口頭講演を二件行った。

研究成果

• [文献書誌] K.Imai, T.Ikari, et al.: "Investigation of the Electron Nonradiative Transition in Extremely Thin CaInNAs/GaAs Single Quantum Well by Using a PPT Spectroscopy"Japanese Journal of Applied Physics. (Accepted). (2004)
• [文献書誌] A.Memon, T.Ikari, et al.: "Effect of Surface States on Piezoelectric Photothermal Spectra of Silicon Single Crystals"Japanese Journal of Applied Physics. (Accepted). (2004)
• [文献書誌] T.Ikari, et al.: "Optical absorption spectra of thin GaInNAs single quantum wells investigated by means of piezoelectric photothermal spectroscopy"Applied Physics Letters. 82(1). 3302-3303 (2003)
• [文献書誌] A.Fukuyama, T.Ikari, et al.: "Investigation of the annealing effect on the nonradiative carrier recombination in AlGaAs/GaAs utilizing the piezoelectric photothermal technique"Review of Scientific Instruments. 74(1). 550-552 (2003)
• [文献書誌] T.Ikari, et al.: "Temperature variation of nonradiative electron transition in GaInNAs SQW investigated by PPTS"Int.Semiconductor Device Research Symposium, Washington DC. IEEE03EX741. 225-226 (2003)
• [文献書誌] T.Ikari, et al.: "Electron nonradiative transition in GaInNAs SQW by using a PPTS"11^<th> Int.Symposium Electron Device for Microwave and Optoelectronic Applications, Orlando FL.. IEEE03TH8691. 217-220 (2003)