Transcript 第二 MBE 成長
高品質T型量子細線レーザーの作製と評価 東大物性研 吉田正裕、秋山英文 概要： 量子細線半導体レーザーの優れた性能とその物理を検証するため に、MBEへき開再成長法に成長中断アニールを導入して、従来にはない高 品質の量子細線レーザーの作製をめざした。特に、(110)面上のMBE成長と 成長中断アニールについて、AFMやPL計測から第一原理計算までを行って 品質向上を進めた。また得られた量子細線および量子細線レーザーの品質 を、さまざまな光学評価により調べた。 研究のねらいと背景 （JST-CREST’02-’07） ダブルへテロ構造レーザー 低次元化 ⇒状態密度の尖鋭化 量子井戸レーザー ⇒低閾値・高微分利得 量子細線レーザー ⇒省電力・高速化 量子箱レーザー 日本が先導してきたナノテクノロジーの中心的な研究指針 構造ゆらぎ（界面の凹凸）による電子状態のボケが問題 構造均一性の極めて高い半導体量子細線を用いて量子細線レー ザーを作製し，低閾値電流や高微分利得など、超高速・超省電力 に直結する高性能を検証し、低次元化の特徴をとらえる。 状態密度の考察だけではなく、多体電子間相互作用の効果 を入れた理論と、現実に即した数値計算・シミュレーションが必要。 分子線エピタキシー（MBE）法とへき開再成長法 によるＴ型細線構造の作製 ファイファー博士ら による (1990年 GaAs 基板 第一MBE 成長 600oC へき開 (500oC) 再成長 （第二 MBE 成長） 500oC 第一MBE成長後の基板 へき開再成長（第二MBE成長） の前（左）と後（右） へき開再成長後のT型 量子細線試料を８つに切断 切断後のT型量子細線試料 へき開の 成功（上）と Good 失敗（中、下） Poor Bad 成長中断アニール法による界面の平坦化 (吉田らによる、2001 年) o o 490 Cで成長 600 Cでアニール T型量子細線 アーム 井戸 6nm ステム 井戸 14nm 原子レベルで 平坦な表面 の形成 単一量子細線を用いた世界一細い 半導体レーザーの構造 2001作製開始 2002.12発表 0.5mmx0.1mm の光導波路 （光の通り路） 長さ ０．５ｍｍ ％の数字は Alの組成を 表す アーム井戸 14nmx6nmの T型量子細線 ステム井戸 （電子が貯 まる所） 単一量子細線レーザー構造の断面 の原子間力顕微鏡像 PL and PLE spectra Sharp PL width Small Stokes shift 1D free exciton 1D continuum states cf. Ogawa & Takagahara 1991 T-wire stem well arm well (Akiyama et al. APL 2003) PLEスペクトル測定（偏光依存） E-field E-field // to wire _I to wire // to arm well 吸収のピークでは 入れた光の９８％が 単一細線によって 吸収されている！ （吸収が強い！） 透過率 吸収係数 単一量子細線（寸法 14nmx6nmｘ0.5mm）の 光透過スペクトル・ 吸収スペクトル を初めて測定 室温1次元励起子吸収の観測 （２０周期量子細線） 発光スペクトルで見る細線の高い一様性 T細線 ステム井戸 T細線 ステム井戸 T=5K 細線 長さ0.5mm 幅14nm 厚み6nm 厚み揺らぎ 0.2nm 単一量子細線によるレーザー発振の観測、温度５K (早水らによる、 2002年) Single wire laser with 500mm gold-coated cavity Near-Field Patterns of Emissions Theory (Takahashi, 2003) Experiment 原子的平坦界面をもつ薄膜の形成 • 理想２次元電子系ができるか？ • 発光や吸収の線幅は自然幅になるか？ • （１１０）面以外、（１１１）や（００１）でできない か？ • 原子的平坦化のメカニズムは？ • 阻害要因は？ 表面や、量子井戸で AFM、顕微PL画像・分光、第一原理計算 (001) (110) [001] [110] [110] [001] (By Yoshita et al. APL 2002) (By Yoshita et al. APL 2002) (By Yoshita et al. APL 2002) へき開再成長量子井戸のPLイメージと対応する空間分解PLスペクトル(1mm間隔) （その１） 原子平坦面が現れた領域 へき開再成長量子井戸のPLイメージと対応する空間分解PLスペクトル(1mm間隔) （その2） 原子ステップが沢山現れた領域 １ＭＬピットの モデル 第一原理計算によるGaAs(110) 面における adatomsのmigration energyの計算 Ga GaAs(110) 面における Ga原子およびAs原子 （adatom）のmigration barrier energy As GaとAs の表面原子の GaAs (110)面における migration barrier energy ホタルルシフェリン 88% ゲンジホタル 鉄道虫 イクオリン 17% オワンクラゲ ウミホタルルシフェリン 28% ウミホタル （電通大丹羽平野研HP・産総研近江谷研HP・横須賀市自然人文博物館HPより）