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2011 年度 実績報告書

高度な量子情報通信機能に向けた半導体中の単一不純物準位の制御と利用に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 22360133
研究機関独立行政法人物質・材料研究機構

研究代表者

佐久間 芳樹  独立行政法人物質・材料研究機構, 先端フォトニクス材料ユニット, グループリーダー (60354346)

キーワード量子閉じ込め / 量子ドット / 励起子 / 単一光子 / 等電子準位 / 不純物
研究概要

平成23年度は、本研究の目的に沿いながら研究を進め、下記の成果を得た。
1.等電子トラップ適用材料の拡張と新たな等電子トラップ不純物の探索
平成22年度の研究で、等電子不純物である窒素(N)のδドープを行ったGaAs:N試料でNの関与した準位が空間局在した発光センターを形成することを顕微PL法で確認し、アンチバンチング特性の観測によって単一光子の発生を世界で初めて実証した。平成23年度は、まずこれらの研究成果をApplied Physics Letters誌に投稿して公開した。一方、従来のGaAs:Nでは個々の等電子準位の発光エネルギーがばらつくという技術課題があったが、平成23年度からGaAs:Nでエネルギーの揃った輝線発光を得るためのNドーピング手法の検討を開始した。この結果、MOCVD法でN原料に使用しているジメチルヒドラジン(DMHy)を1原子層のGaで終端したGaAs(001)面上に供給するか、DMHyとGa原料であるトリエチルガリウム(TEGa)を一緒にGaAs(001)上に供給すると、従来のドーピング手法では得られなかったエネルギーの揃った輝線スペクトルが観測されることを新たに見出した。観測された輝線スペクトルはNNA(発光波長840nm @25K)、NNB(868nm @25K)、NNF(833nm @25K)の3種である。今後、新たに見出したこれらの発光中心の光学特性について詳しく調べ、関与する不純物や原子配置に関する情報を探索する。
2.GaAs:Nの束縛励起子の光学特性評価
これまでアンチバンチング特性を観測したGaAs:N中の単一発光センターについて、再結合寿命、偏光特性の評価を行った。再結合寿命は発光エネルギーと同様に個々の局在準位ごとにばらつきが観測されたが、観測の範囲では650psが最短の値であった。これはGaP:Nで観測された寿命よりも1~2桁短い値であり、母結晶であるGaAsの直接遷移型のバンド構造に起因すると解釈できる。また、発光強度も寿命を反映して充分強いことがわかった。一方、これらの発光センターの高分解能スペクトルを調べた結果、いずれも微細構造は1成分からなり、[110]または[1-10]に直線偏光していることがわかった。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

GaP:N系で見出した等電子不純物を使った単一光子発生技術を、適用材料やデバイス応用技術の両側面から発展させることが本研究の主要な目的である。これまで、この技術を直接遷移型バンド構造を持つ代表的な半導体であるGaAs系に適用し、単一光子発生の実証および再結合寿命や偏光特性を明らかにした。この点で技術的意義は大きいと言える。また、窒素(N)ドーピング手法の探索を通じて、GaAs:N系で発光エネルギーの揃った輝線発光の観測に成功し、新展開の端緒をつかんだことも評価できる。しかし、その一方で単一光子発生の高温化や量子井戸構造の適用による波長制御技術の開発が遅れ気味である。

今後の研究の推進方策

GaP:NとGaAs:N系材料で開発した技術をベースに、量子井戸構造を利用するなどして高温動作や波長制御技術の開発に注力する。これと並行して、特にGaAs:N系の発光中心の光学特性の詳細やドーピング手法と関与する不純物原子種の関係について研究を深める。

  • 研究成果

    (18件)

すべて 2012 2011 その他

すべて 雑誌論文 (5件) (うち査読あり 5件) 学会発表 (10件) 図書 (1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Single-Photon Generation from a Nitrogen Impurity Center in GaAs2012

    • 著者名/発表者名
      M. Ikezawa, Y. Sakuma, L. Zhang, Y. Sone, T. Mori, T. Hamano, M. Watanabe, K. Sakoda, and Y. Masumoto
    • 雑誌名

      Appl. Phys. Lett

      巻: Vol.100 ページ: 042106-1~042106-3

    • DOI

      DOI: 10.1063/1.3679181

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Self-Limiting Growth of Hexagonal and Triangular Quantum Dots on (111)A2012

    • 著者名/発表者名
      J.Masafumi
    • 雑誌名

      Crystal Growth & Design

      巻: 12 ページ: 1411-1415

    • DOI

      10.1021/cg201513m

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Experimental Study of Near-Field Light Collection Efficiency of Aperture Fiber Probe at Near-Infrared Wavelengths2011

    • 著者名/発表者名
      N.Tsumori, et al
    • 雑誌名

      Applied Optics

      巻: 50 ページ: 5710-5713

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fabrication of GaNAs/AlGaAs Heterostructures with Large Band Offset Using Periodic Growth Interruption2011

    • 著者名/発表者名
      T.Mano, et al
    • 雑誌名

      Applied Physics Express

      巻: 4 ページ: "125001-1"-"125001-3"

    • DOI

      10.1143/APEX.4.125001

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Optical Anisotropy of GaSb Type-II Nanorods on Vicinal (111)B GaAs2011

    • 著者名/発表者名
      T.Kawazu, et al
    • 雑誌名

      Applied Physics Letters

      巻: 99 ページ: "231901-1"-"231901-3"

    • DOI

      10.1063/1.3665394

    • 査読あり
  • [学会発表] GaAs:N中の単一発光中心のフーリエ分光による発光均一幅の測定2012

    • 著者名/発表者名
      張遼, ら
    • 学会等名
      日本物理学会第67回年次大会
    • 発表場所
      関西学院大学(兵庫県)
    • 年月日
      2012-03-27
  • [学会発表] GaAs中の窒素不純物発光中心に束縛された励起子の位相緩和時間2012

    • 著者名/発表者名
      張遼, ら
    • 学会等名
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(東京都)
    • 年月日
      2012-03-18
  • [学会発表] 超電導単一光子検出器を用いた1.5μm帯量子ドット単一光子光源評価2012

    • 著者名/発表者名
      竹本一矢, ら
    • 学会等名
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(東京都)
    • 年月日
      2012-03-18
  • [学会発表] 1.55μm帯量子ドット単一光子源による量子鍵配布性能予測2012

    • 著者名/発表者名
      南部芳弘, ら
    • 学会等名
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(東京都)
    • 年月日
      2012-03-18
  • [学会発表] MOCVD法により窒素をドープしたGaAsからのエネルギーの揃ったPL輝線発光2012

    • 著者名/発表者名
      佐久間芳樹
    • 学会等名
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(東京都)
    • 年月日
      2012-03-17
  • [学会発表] 周期的成長中断を用いたGaNAs三次元島状構造の作製2012

    • 著者名/発表者名
      関野高明, ら
    • 学会等名
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(東京都)
    • 年月日
      2012-03-17
  • [学会発表] 微傾斜GaAs(111)B基板上のGaSbタイプIIナノロツドの自己形成2012

    • 著者名/発表者名
      川津琢也, ら
    • 学会等名
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(東京都)
    • 年月日
      2012-03-17
  • [学会発表] 液滴エピタキシを用いた超高密度GaAs量子ドットの作製2012

    • 著者名/発表者名
      定昌史, ら
    • 学会等名
      第59回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      早稲田大学(東京都)
    • 年月日
      2012-03-16
  • [学会発表] GaP:N中の二軸異方性単一窒素ペアの磁気光学2011

    • 著者名/発表者名
      張遼
    • 学会等名
      日本物理学会2011年秋季大会
    • 発表場所
      富山大学(富山県)
    • 年月日
      2011-09-23
  • [学会発表] 液滴エピタキシー法によるGaSb/GaAs量子ドットの後熱処理効果2011

    • 著者名/発表者名
      川津琢也, ら
    • 学会等名
      第72回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      山形大学(山形県)
    • 年月日
      2011-08-31
  • [図書] 「バンドギャップエンジニアリング-次世代高効率デバイスへの挑戦-」第I編第8章「量子ナノ構造とエネルギーバンド」(監修:大橋直樹)2011

    • 著者名/発表者名
      佐久間芳樹
    • 総ページ数
      67-88
    • 出版者
      (株)シーエムシー出版
  • [備考]

    • URL

      http://www.nims.go.jp/units/apm/qns/

  • [備考]

    • URL

      http://www.nims.go.jp/group/g_quantum-nanostructures/index.html

URL: 

公開日: 2013-06-26  

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