半導体量子井戸構造におけるTHz音響フォノンを用いた電子波動関数の可視化とその応用

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13852006
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: O.B. Wright 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (90281790)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松田 理 北海道大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (30239024)
• Keywords: 半導体量子井戸構造 / 電子波動関数 / ポンププローブ分光 / サブTHz音響フォノン / 電子格子相互作用 / 超高速現象 / 不均一多層膜 / ピコ秒レーザー音響法

Research Abstract

本研究は、半導体量子井戸中の電子波動関数の深さ方向への空間的形状を、電子と相互作用する音響フォノンを介して可視化することを目的としている。電子波動関数の可視化は、物理学的見地から興味深いことに加えて、不純物のドープや外部電場位印加による波動関数への影響を直接観測できることからデバイス開発などの工業的な応用も期待される。今年度は主として以下の研究を行った。
井戸幅層2〜10nm程度の<GaAs/Al_<0.3>Ga_<0.7>As>三重量子井戸構造をMOCVD法により作製した。Ti-サファイアモードロックレーザーによって発生されるフェムト〜ピコ秒の時間幅を持つ光パルスを用いて、ポンププローブ法による量子井戸試料中の超音波パルス発生伝搬に関する測定を行った。ポンプ光波長を変化させることによって生成フォノンパルス形状は明確な変化を示す。得られた実験結果について、量子井戸中の波動関数形状を考慮した解析を行い合理的な知見を得た。
波動関数形状に関する更に精密な知見を得るためには、生成された音響フォノンパルスによる試料表面変位を光音響効果とは分離して測定する必要がある。これらを分離して測定するために、プローブ光を試料に斜め入射する方法を開発した。金属薄膜を用いた予備的な実験では新しく開発した測定方法が有効であることが示された。解析のために構築した理論は不均一な光学定数分布を含む多層膜試料における斜め入射光の反射率を解析できるもので、本研究以外にも広範な応用が考えられる。
その他に、波動関数形状に関する精密測定の別のアプローチとして、フォトルミネッセンスを用いる測定方法を検討した。また基礎的事項としてGaAs中のキャリアダイナミクスを調べる目的で、微細加工技術により1μm厚のGaAsエアギャップ構造を作製し、ポンププローブ法による超音波発生伝搬実験を行い、キャリアの拡散定数を定量的に得た。

Research Products

• [Publications] O.Matsuda: "Laser picosecond acoustics in multiplayer structures"Ultrasonics. 40. 753-756 (2002)
• [Publications] O.Matsuda: "Wavelength selective photoexcitation of picosecond acoustic phonon pulses in a GaAs/Al_<0.3>Ga_<0.7>As quantum well structure"Physica B. 316-317C. 205-208 (2002)
• [Publications] O.Matsuda: "Reflection and transmission of light in multiplayer perturbed by picosecond strain pulse progagation"Journal of the Optical Society of America B. 19. 3028-3041 (2002)
• [Publications] O.Matsuda: "Laser picosecond acoustics with oblique probe light incidence"Review of Scientific Instruments. 74. 895-897 (2003)