高性能量子光源のための新たな等電子トラップの探索と特性制御に関する研究

2014 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 25289091
• 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)
• 研究分担者: 池沢 道男 筑波大学, 数理物質科学研究科(系), 准教授 (30312797)
• 研究期間 (年度): 2013-04-01 – 2016-03-31
• キーワード: 量子閉じ込め / 量子ドット / 結晶工学 / 半導体物性 / フォトニック結晶

研究実績の概要

研究計画に沿って、(1) 量子井戸構造を用いたGaAs中のN等電子準位の制御、および(2)フォトニック結晶共振器によるGaAs中のN等電子準位のパーセル効果に関する研究を進めた。
(1)では、量子井戸の中央にN不純物をδドープしたAlGaAs/GaAs:N/AlGaAs構造を作製し、マクロPLを使って等電子トラップからの輝線的なNN_A発光（841nm）のGaAs井戸幅依存性を調べた。GaAs井戸幅を200nm～5nmの範囲で変えたところ、井戸幅が200nm～100nmの場合にはNN_Aからの発光が観測されたが、100nm以下では観察されなくなった。従来よりAlGaAsバリア層無しのGaAs:NサンプルでNN_Aの低エネルギー側（846nm付近）に強度の弱いブロードな発光を確認していたが、今回作製したGaAs井戸幅100nm以下のサンプルではNN_Aに代わってこのブロードな発光が主となり、かつ井戸幅の減少に伴って量子閉じ込め効果によるエネルギーシフトが観察された。NN_Aが空間局在した等電子トラップからの発光であるのに対し、上記のブロードな発光はGaAsN混晶バンドに関与している可能性がある。
(2)では、昨年度末に作製したフォトニック結晶共振器について、L3欠陥部からの顕微PL測定を行った。この結果、NN_A濃度を比較的高く設定したサンプルで、フォトニック結晶に共鳴したと思われるNN_Aからの強いPL発光の観測に成功した。発光スペクトルの形状はローレンツ型であり、理論どおり極めて強く直線偏光していることも確認した。また、PL発光の自己強度相関を測定したところ、g(2)(t=0)＝0.75程度のアンチバンチングを観測した。これらの結果はL3欠陥部に数個程度のNN_Aが存在する可能性を示唆しているものの、当初の目標としていた単一光子のパーセル効果による増強の端緒をつかんだ。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

GaAs:N等電子トラップをドープしたL3欠陥型フォトニック結晶共振器のPL評価を進め、共振器モードに共鳴した強い自然放出光の観測に成功するなど、最終年度に向けて期待できる研究成果が得られているため

今後の研究の推進方策

AlGaAs/GaAs:N/AlGaAs量子井戸構造による等電子トラップの制御については、PL励起スペクトル測定を行うなどして、窒素等電子トラップのエネルギー準位の解明を行うとともに、高温動作の可能性についても調べる。
フォトニック結晶共振器によるGaAs:N等電子トラップのパーセル効果の研究については、NN_Aドープ量の最適化を図ったサンプルについても詳しい評価を進め、単一のNN_Aに対するパーセル効果の実証を目指す。
また、新たに窒素等電子トラップの共鳴励起発光の研究に着手し、DBR挿入による光取り出し効率の向上等を行って、コヒーレントな単一光子の発生を目指す。

研究成果

• [雑誌論文] Growth and optical properties of GaSb/GaAs type-II quantum dots with and without wetting layer (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Kawazu, T. Noda, T. Mano, Y. Sakuma, and H. Sakaki
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 54 ページ: 04DH01-1～4
  • DOI: 10.7567/JJAP.54.04DH01
  • 査読あり
• [雑誌論文] Lateral current generation in n-AlGaAs/GaAs heterojunction channels by Schottky-barrier gate illumination (2015)
  • 著者名/発表者名: T. Kawazu, T. Noda, Y. Sakuma, and H. Sakaki
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 106 ページ: 022103-1～5
  • DOI: 10.1063/1.4905661
  • 査読あり
• [雑誌論文] Droplet epitaxy growth of telecom InAs quantum dots on metamorphic InAlAs/GaAs(111)A (2015)
  • 著者名/発表者名: N. Ha, T. Mano, T. Kuroda, K. Mitsuishi, A. Ohtake, A. Castellano, S. Sanguinetti, T. Noda, Y. Sakuma, and K. Sakoda
  • 雑誌名: Jpn. J. Appl. Phys. 巻: 54 ページ: 04DH07-1～3
  • DOI: 10.7567/JJAP.54.04DH07
  • 査読あり
• [雑誌論文] Voltage dependence of two-step photocurrent generation in quantum dot intermediate band solar cells (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Elborg, T. Noda, T. Mano, M. Jo, Y. Sakuma, K. Sakoda, and L. Han
  • 雑誌名: Sol. Energy Mat. Sol. Cells 巻: 134 ページ: 108～113
  • DOI: 10.1016/j.solmat.2014.11.038
  • 査読あり
• [雑誌論文] Vanishing fine-structure splittings in telecommunication-wavelength quantum dots grown on (111)A surfaces by droplet epitaxy (2014)
  • 著者名/発表者名: X. Liu, N. Ha, H. Nakajima, T. Mano, T. Kuroda, B. Urbaszek, H. Kumano, I. Suemune, Y. Sakuma, and K. Sakoda
  • 雑誌名: Phys. Rev. B 巻: 90 ページ: 081301-1～6
  • DOI: 10.1103/PhysRevB.90.081301
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of GaSb and AlSb quantum dots on high index GaAs substrates (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Kawazu, T. Noda, T. Mano, Y. Sakuma, and H. Sakaki
  • 雑誌名: Appl. Phys. Express 巻: 7 ページ: 055502-01～4
  • DOI: 10.7567/APEX.7.055502
  • 査読あり
• [雑誌論文] Growth of GaSb quantum dots on GaAs (111)A (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Kawazu, T. Noda, T. Mano, Y. Sakuma, and H. Sakaki
  • 雑誌名: e-J. Surf. Sci. Nanotech. 巻: 12 ページ: 304～306
  • DOI: 10.1380/ejssnt.2014.304
  • 査読あり
• [雑誌論文] Droplet epitaxial growth of highly symmetric quantum dots emitting at telecommunication wavelengths on InP (111)A (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Ha, X. Liu, T. Mano, T. Kuroda, K. Mitsuishi, A. Castellano, S. Sanguinetti, T. Noda, Y. Sakuma, and K. Sakoda
  • 雑誌名: Appl. Phys. Lett. 巻: 104 ページ: 143106-1～4
  • DOI: 10.1063/1.4870839
  • 査読あり
• [学会発表] Entangled photon emission at temperatures up to 60 K from droplet epitaxial quantum dots (2015)
  • 著者名/発表者名: X. Liu, T. Kuroda, T. Mano, H. Nakajima, H. Kumano, I. Suemune, Y. Sakuma, K. Sakoda
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス（神奈川県平塚市）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] GaSb/GaAs量子ドットの光学異方性における後熱処理の効果 (2015)
  • 著者名/発表者名: 川津琢也、野田武司、佐久間芳樹、榊裕之
  • 学会等名: 第62回応用物理学会春季学術講演会
  • 発表場所: 東海大学湘南キャンパス（神奈川県平塚市）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-14
• [学会発表] Open-circuit voltage recovery in dilute-N GaAs/AlGaAs quantum structure solar cells (2015)
  • 著者名/発表者名: M. Elborg, T. Noda, and Y. Sakuma
  • 学会等名: MANA International Symposium 2015
  • 発表場所: つくば国際会議場（つくば市）
  • 年月日: 2015-03-11 – 2015-03-13
• [学会発表] Direct visualization of N impurity state in GaAs using STM (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Ishida, M. Jo, T. Mano, T. Noda, Y. Sakuma, and D. Fujita
  • 学会等名: 22nd International Colloquium on Scanning Probe Microscopy
  • 発表場所: 熱川ハイツ（静岡県東伊東町）
  • 年月日: 2014-12-11 – 2014-12-13
• [学会発表] Non-classical light generation from isoelectronic centers embedded in photonic crystal microcavities (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Ikezawa, Y. Yamada, Y. Sakuma, L. Zhang, H. Takeda, N. Ikeda, Y. Sugimoto, K. Sakoda, and Y. Masumoto
  • 学会等名: Recent Progress of Photonic Devices and Materials
  • 発表場所: 神戸大学（神戸市）
  • 年月日: 2014-11-13 – 2014-11-14
• [学会発表] Direct visualization of N impurity state in GaAs using STM (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Ishida, M. Jo, T. Mano, T. Noda, Y. Sakuma, and D. Fujita
  • 学会等名: The 7th International Symposium on Surface Science
  • 発表場所: くにびきメッセ（島根県松江市）
  • 年月日: 2014-11-02 – 2014-11-06
• [学会発表] 高指数面GaAs基板上のGaSbおよびAlSb量子ドットの成長 (2014)
  • 著者名/発表者名: 川津琢也、野田武司、間野高明、佐久間芳樹、榊裕之
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学（札幌市）
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] フォトニック結晶共振器に埋め込まれた等電子トラップからの非古典光発生 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山田雄太、張遼、池沢道男、武田寛之、池田直樹、杉本善正、佐久間芳樹、迫田和彰、舛本泰章
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学（札幌市）
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] 液滴エピタキシー法によるInP(111)A基板上InAs量子ドット成長過程における濡れ層形成とその制御 (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Ha、間野高明、X. Liu、黒田隆、三石和貴、大竹晃浩、野田武司、佐久間芳樹、迫田和彰
  • 学会等名: 第75回応用物理学会秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学（札幌市）
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] 液滴エピタキシー法による格子緩和したInAlAs/InAs/GaAs(111)A上の1.55ミクロン発光するInAs量子ドットの作製 (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Ha、間野高明、X. Liu、黒田隆、三石和貴、大竹晃浩、野田武司、佐久間芳樹、迫田和彰
  • 学会等名: 第75回応用物理学秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学（札幌市）
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] STMによるGaAs中N不純物準位の直接可視化 (2014)
  • 著者名/発表者名: 石田暢之、定昌史、間野高明、野田武司、佐久間芳樹、藤田大介
  • 学会等名: 第75回応用物理学秋季学術講演会
  • 発表場所: 北海道大学（札幌市）
  • 年月日: 2014-09-17 – 2014-09-20
• [学会発表] Growth and optical properties of GaSb/GaAs type-II quantum dots with and without wetting layer (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Kawazu, T. Noda, T. Mano, Y. Sakuma, and H. Sakaki
  • 学会等名: 2014 Int. Conf. on Solid State Devices and Materials
  • 発表場所: つくば国際会議場（つくば市）
  • 年月日: 2014-09-08 – 2014-09-11
• [学会発表] Droplet epitaxial growth of 1.55 um wavelength InAs quantum dots on metamorphic InAlAs/GaAs (111)A (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Ha, T. Mano, X. Liu, T. Kuroda, K. Mitsuishi, A. Ohtake, A. Castellano, T. Noda, Y. Sakuma, and K. Sakoda
  • 学会等名: 2014 Int. Conf. on Solid State Devices and Materials
  • 発表場所: つくば国際会議場（つくば市）
  • 年月日: 2014-09-08 – 2014-09-11
• [学会発表] 発光エネルギーの揃ったGaAs中の窒素発光中心の位相緩和 (2014)
  • 著者名/発表者名: 張遼、池沢道男、佐久間芳樹、迫田和彰、舛本泰章
  • 学会等名: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学（愛知県春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] 等電子トラップを埋め込んだフォトニック結晶共振器の光学特性 (2014)
  • 著者名/発表者名: 山田雄太、張遼、池沢道男、武田寛之、池田直樹、杉本善正、佐久間芳樹、迫田和彰、舛本泰章
  • 学会等名: 日本物理学会 2014年秋季大会
  • 発表場所: 中部大学（愛知県春日井市）
  • 年月日: 2014-09-07 – 2014-09-10
• [学会発表] Yellow single-photon emission from nitrogen impurity centers in AlAs (2014)
  • 著者名/発表者名: M. Jo, T. Mano, T. Kuroda, Y. Sakuma, and K. Sakoda
  • 学会等名: SPIE 2014
  • 発表場所: San Diego （米国）
  • 年月日: 2014-08-17 – 2014-08-21
• [学会発表] Multi-exciton binding in droplet epitaxially grown InAs/InP(111)A quantum dots at telecommunication wavelengths (2014)
  • 著者名/発表者名: X. Liu, N. Ha, T. Kuroda, T. Mano, Y. Sakuma, and K. Sakoda
  • 学会等名: ICPS 2014
  • 発表場所: Austin （米国）
  • 年月日: 2014-08-10 – 2014-08-15
• [学会発表] Characterization of potential profile in multiple quantum well solar cell by using cross-sectional Kelvin probe force microscopy (2014)
  • 著者名/発表者名: N. Ishida, T. Noda, T. Mano, Y. Sakuma, L. Han, and D. Fujita
  • 学会等名: Non-contact atomic force microscopy 2014
  • 発表場所: つくば国際会議場（つくば市）
  • 年月日: 2014-08-04 – 2014-08-08
• [学会発表] 自己形成による量子ドットの作製技術・光学特性とその応用 (2014)
  • 著者名/発表者名: 佐久間芳樹、間野高明
  • 学会等名: 量子ドットの作製技術・構造制御と応用
  • 発表場所: 技術情報協会（東京、五反田）
  • 年月日: 2014-07-24 – 2014-07-24
  • 招待講演
• [学会発表] Recent development of droplet epitaxy in NIMS: InAs QDs on InP(111)A for telecom-application and reconstruction-dependent Ga droplet formation on GaAs (100) (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Mano, A. Ohtake, T. Kuroda, N. Ha, X. Liu, K. Mitsuishi, A. Hagiwara, J. Nakamura, A. Castellano, S. Sanguinetti, T. Noda, Y. Sakuma, and K. Sakoda
  • 学会等名: 2nd Workshop Droplet Epitaxy of Semiconductor Nanostructures
  • 発表場所: Milano (イタリア）
  • 年月日: 2014-05-16 – 2014-05-16
  • 招待講演
• [学会発表] InAs quantum dots formed on InP(111)A by droplet epitaxy (2014)
  • 著者名/発表者名: T. Mano, N. Ha, X. Liu, T. Kuroda, K. Mitsuishi, T. Noda, A. Castellano, S. Sanguinetti, Y. Sakuma, and K. Sakoda
  • 学会等名: 8th International conference on Quantum Dots
  • 発表場所: Pisa（イタリア）
  • 年月日: 2014-05-11 – 2014-05-16
• [備考] 量子ナノ構造グループ
  • URL: http://www.nims.go.jp/units/apm/qns/