半導体量子閉込め状態の波動関数と質量の実験的定量化(光素子設計理論)

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12650318
• Research Institution: Kyushu Institute of Technology
• Principal Investigator: 小寺 信夫 九州工業大学, 情報工学部, 教授 (60215291)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 公一 広島市立大学, 情報科学部, 助教授 (40236584)
• Keywords: ナノメーター / 量子閉じ込め / 量子井戸 / エネルギー固有値 / 波動関数 / 有効質量 / 化合物半導体 / 光素子

Research Abstract

過去2年間本研究では、InGaAs/InAlAs量子井戸構造半導体の「光電流スペクトル」と「サイクロトロン共鳴」を用いた実験の解析により、InGaAs伝導帯のバンド構造が有する「ノンパラボリシティー」が電子質量増加の原因と特定できた。井戸面に垂直方向ではバンド端から約0.5eVまで高いところまでの質量が決定できた。井戸面に垂直に電界がかかる場合の電子正孔の「エネルギー固有値に対するStark効果」も定量的に解析できた。
「光電流、光透過スペクトルの測定」にはアンドープおよび変調ドープ試料を使用した。「サイクロトロン共鳴」には変調ドープ試料を用いた。解析結果から「Kaneの3準位バンド理論」との定量的な一致がみられ、「バンドの固有パラメーター」Epの値が決定された。これにより、室温から液体ヘリウム冷却までの低温の範囲において、光通信用レーザーに応用される該半導体の光遷移エネルギーが10meV程度の誤差の範囲でコンピューター上で設計できるようになった。
井戸面に垂直に電場がかかったケースについて、アンドープInGaAs/InAlAs構造を含むp-i-n素子の光電流応答スペクトルを解析した。Stark効果解析は、コンピューター上で有効質量方程式をとき固有値と吸収係数を計算した。実験と定量的な一致をみた。これから使用した「井戸内の波動関数」が間接的に正しいと結論された。変調ドープ試料については「エネルギー固有値と井戸面に垂直方向の質量」を決定し、アンドープサンプルと値がほぼ変わらないことが結論できた。
電子が井戸面内を運動する時の面内質量の測定はサイクロトロン共鳴によらなければならない。物性研究所との共同研究により、Landau量子化エネルギー対磁場曲線を知るため、レーザー光源の波長を種々変えて磁場掃引で共鳴磁場を測定した。20-120meVの範囲でエネルギー対磁場の曲線がサブリニアに変化し、変化が「Kaneの3準位バンド理論」に一致した。これからも質量変化がバンドの「ノンパラボリシティー」によるものと証明できた。

Research Products

• [Publications] K.Tanaka, T.Murata, N.Kotera, H.Nakamura: "A Modeling of An In(0.53)Ga(0.47)As/In(0.52)Al(0.48)As Multi-Quantum Wells Structure Using Photocurrent Spectroscopy"Proceedings of the Twelfth international Conference on Indium Phosphide and Related Materials, pp.158-161, IEEE Catalog # OOCH36362. IEEE Catalog OOCH36362. 158-161 (2000)
• [Publications] K.Tanaka, T.Murata, N.Kotera, H.Nakamura: "Obersvation of Confined-States in an ln(0.53)Ga(0.47)As/ln(0.52)AI(0.48)As Multi-Quantum Wells Structure by Quantum Confined Stark Effects"Superlattices and Microstructures. Vol.29, No.2. 91-98 (2000)
• [Publications] K.Tanaka, Y.Ueki, K.Shibata, N.Kotera: "Nonparabolic Conduction Subbands in Nanoscale lnGaAs/InAlAs Quantum Wells with Photocurrent and Transmission Spectroscopy"Journal of Korean Physical Society. Vol.39, No.3. 469-472 (2001)
• [Publications] N.Kotera, H.Arimoto, N.Miura, M.Washima, T.Mishima: "Observation of Nonparabolic Conduction Subbands in InGaAs/InAlAs Multi-Quantum Wells by Very-High-Field Pulse Cyclotron Resonance"Physica E. Vol.9. 231-235 (2001)
• [Publications] N.Kotera, H.Arimoto, N.Miura, K.Tanaka, T.Kawano, K.Shibata, H.Nakamura, T.Mishima, K.Aiki, M.Washima: "Nonparabolic Effective Masses of Conduction Subbands in InGaAs/InAlAs Quantum Wells in Normal and Parallel Directions"Physica B. 298. 221-225 (2001)
• [Publications] N.Kotera, H.Arimoto, N.Miura, K.Shibata, Y.Ueki, K.Tanaka, H.Nakamura, T.Mishima, K.Aiki, M.Washima: "Electron Effective Mass and Nonparabolicity in InGaAs/InAlAs Quantum Wells Lattice-Matched to InP"Physica E. Vol.11. 219-223 (2001)