超平坦界面を有する半導体理想量子細線・井戸構造における励起子ダイナミクスの解明

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15760216
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 吉田 正裕 東京大学, 物性研究所, 助手 (30292759)
• キーワード: 量子細線 / 量子井戸 / (110)GaAs / へき開再成長 / 原子平坦界面 / 成長中断アニール / 顕微計測 / 励起子

研究概要

へき開再成長(CEO)法とその成長表面での成長中断アニール法により原子平坦なヘテロ界面をもつ量子井戸・T型量子細線構造を作製し、その量子構造内での励起子の光物性を顕微発光計測法により調べた。まず、この方法で作製した原子平坦界面(110)GaAs量子井戸構造の顕微分光、画像計測を行い、量子構造内での励起子の空間分布を調べた。発光像には量子井戸の成長層厚に依存する特徴的な形状の発光パターンが観測され、アニール時(やへき開時)に形成された特異な表面構造がヘテロ界面に保存されることがわかった。また、その界面構造での量子化エネルギー分布の違いを反映した励起子流れ込み効果を観測した。観測された発光像から励起子の拡散長を評価した。
また、T型量子細線構造の顕徴発光計測を行い、1次元励起子の多体効果について調べた。量子細線からの発光の励起強度依存性(電子-正孔対密度依存性)において、励起子状態(弱励起)から電子正孔プラズマ状態(強励起)への遷り変わりを観測し、その変化が相転移のような急激な変化ではなく、励起子分子状態を経由した連続的なものであることを明らかにした。
一方で、超平坦界面を持つより高品質な理想量子井戸・細線構造の実現のために、成長中断アニール条件、特に、基板温度の最適化を行った。これまでの600℃から650℃へと基板温度を上げることで、以前のアニール表面で観測されていた周辺より2〜3原子層高い島構造が消失し、平坦化が促進されることを確認した。その結果、より広い原子平坦表面を形成することに成功した。この最適化されたアニール条件を適用することで、構造中の励起子ダイナミクスをより効果的に評価できようになった。また、アニール表面で観測された成長層厚に依存した特徴的な表面構造から成長中断アニール時の表面平坦化メカニズムについての考察も行った。

研究成果

• [文献書誌] M.Yoshita, J-W.Oh, H.Akiyama, L.N.Pfeiffer, K.W.West: "Control of MBE surface step-edge kinetics to make an atomically smooth quantum well"Journal of Crystal Growth. 251・1-4. 62-67 (2003)
• [文献書誌] H.Akiyama, M.Yoshita, L.N.Pfeiffer, K.W.West: "Quantum wire lasers with high uniformity formed by cleaved-edge overgrowth and growth-interrupt anneal"Solid State Communications. 127・2. 63-68 (2003)
• [文献書誌] A.Ishii, T.Aisaka, J-W.Oh, M.Yoshita, H.Akiyama: "Low and aniostropic barrier energy for adatom migration on a GaAs (110) surface studied by first-principles calculations"Applied Physics Letters. 83・20. 4187-4189 (2003)
• [文献書誌] M.Yoshita, Y.Hayamizu, H.Akiyama, L.N.Pfeiffer, K.W.West: "Fabrication and microscopic characterization of a single quantum wire laser with high uniformity"Physica E. 21・2-4. 230-235 (2004)
• [文献書誌] J-W.Oh, M.Yoshita, H.Itoh, H.Akiyama, L.N.Pfeiffer, K.W.West: "Carrier diffusion on atomically flat (110) GaAs quantum wells"Physica E. 21・2-4. 689-692 (2004)