Transcript 理論計算 - 秋山研究室

2007軽井沢合宿@上智大セミナーハウスin軽井沢
2007.11.2-4
Ｔ型量子細線レーザーの利得測定と
多体理論計算との比較
秋山研 助教 吉田正裕
Outline:
1. 背景と目的
2. Ｔ型量子細線レーザー試料構造
3. 利得スペクトル測定
4. 実験結果‥‥光学利得のキャリア密度依存性
5. 多体理論計算との比較 (+ 気になる点)
6. まとめ
研究背景と目的
半導体量子細線レーザー
自由キャリア理論に基づく、バンド端状態密度先鋭化による
レーザー性能向上の予測
低閾値、高微分利得、特性温度の向上 ... M. Asada他(1985), Y. Arakawa他(1982)
一次元における強いクーロン相互作用
励起子効果の増大、状態密度発散の抑制 ... T. Ogawa他(1991).
クーロン相互作用を取り込んだ多体理論計算による利得スペクトル
 しきい値近傍での利得増強効果
 高密度での利得ピーク抑圧効果
... Huaiさん発表
本研究では、
高品質なノンドープＴ型量子細線レーザーを用いて、光励起に
よる利得吸収スペクトル測定を行い、
量子細線における光学利得のキャリア密度依存性の解明
クーロン効果を取り込んだ多体理論計算との比較
を行う。
T型量子細線レーザー試料構造
光導波路構造
T型量子細線構造
T wire
% : Al content (x) in AlxGa1-xAs

へき開再成長法
[110]
[001]

GaAs
substrate
(001) MBE
Growth


In situ
Cleave
(110) MBE
Growth
L. N. Pfeiffer et al., APL 56, 1679 (1990).

MBEへき開再成長法+(110)面での
成長中断アニール法により作製
T型導波路に3周期T型量子細線
T細線 14 x 6 nm2, ノンドープ
光閉じ込め係数 G:
G = 1.3 x 10-3
Cavity : Cavity長 = 500μm
as cleaved (反射率=0.3)
ストライプ状光励起による導波路放出光測定
PL
Excitation：
cw TiS laser, 1.661eV
チョッパー： duty比2 %
Emission Intensity
自然放出光
(PL)
導波路放出光
F-Pフリンジ
res. 0.1meV
ストライプ励起
強度均一性: < 10%
導波路放出光
Arm well に
平行な偏光成分
を検出
G・Gpk
a int
gmod
利得吸収スペクトルの算出
Emission Intensity
Chemical
potential (m)
フリンジ解析
gmod = G·G - a int
gmod : Modal gain
G : Material gain
a int : Internal loss
G
Waveguide
Emission
: Optical
confinement factor
Cassidy法を用いて、
Fabry-Perotフリンジ解析
B. W. Hakki and T. L. Paoli,
JAP 46 1299 (1975).
D. T. Cassidy, JAP 56 3096 (1984).
利得吸収スペクトル（3-prd T細線）
 急峻な
（→ 近接量子井戸での利得）
 細線利得ピーク値の飽和
励起強度
Modal Gain
G・G (10 cm-1/div.)
大
利得ピーク (L2)の出現
G・Gpk
m
小
 利得ピーク(1.574eV)の出現
→ ピーク値の増加
幅の増加
 励起子吸収ピーク消失
 励起子吸収
no gain
(1.580eV)
ピーク利得の励起強度依存性
利得出現：
3 wire laser
G = 1.3 x 10-3
Eex = 1.661 eV

透明励起強度 ~3 mWで
利得が発生し、励起強度
に対して急激に増加。
ピーク利得の変化：


理論計算との比較には、 キャリア密度 n1D
キャリア温度 Te
励起強度の増加に伴い、
ピーク利得は最大値を
とり、以降、減少傾向。
高温でピーク利得の最
大値が低下。
の決定が必要。
PL励起強度依存性からのキャリア密度見積もり
3 x105 cm-1
PL強度 ∝ キャリア密度として、
各励起強度でのn1D算出
M. Yoshita et al., PRB 74, 165332 (2006).
KMS relation よるキャリア温度見積もり
Pex=11.3 mW
n1D~9x105 cm-1
KMS関係式により
フィッティング。
Te ~ 60 ± 6 K
cf.
測定温度=4 K
m
Carrier heating
準熱平衡系
g    A  1  exp  m  / kBTe  PL 
利得
m : quasi-chemical potential
Te : quasi-equilibrium carrier temperature
KMS 関係式
H. Haug and S. Schmitt-Rink
Prog. Quant. Electr. 9, 3 (1984).
光学利得の理論計算との比較
理論計算
Screened Hartree-Fock
with static screening
 Free-particle model

理論
実験
T = 30K
60K
100K
300K
Gpk
Free-particle
SHF
GaAs
14x6nm 矩形細線
infinite barrier
me=0.0665 m0
mh=0.105 m0
((110)QW)
 = 0.8 meV
(broadening)
G = 1.3 x 10
-3
光学利得の理論計算との比較
多体理論計算との類似点
• 透明キャリア密度
理論
実験
T = 30K
60K
100K
300K
~ 3 x 10 5 cm-1
• ピーク利得値
多体理論と同程度。
• 高密度での利得減少
多体理論と同じ傾向を示す。
（？）
Gpk
Free-particle
相違点
SHF
透明領域近傍での微分利得
 利得最大となるキャリア密度
 実験と比して、理論計算が
相対的に高温

気になる点
1. キャリア密度の見積もり精度？
理論計算との化学ポテンシャル位置の
比較からキャリア密度を見積もれる？
ただ、実験からはBGR位置不明．．．
2. キャリア温度 ・・・・ Carrier heatingの影響
励起光子エネルギー依存性の測定
ピーク利得値の励起光子エネルギー依存性
previous results
excess energy
=81 meV
 低エネルギー励起
により、ピーク利得
の増加
 高密度領域での利
wire
exciton
-10
0
得の減少ほとんど
無し(arm-QW励起時)
arm
QW
10
20
Chemical potential (meV)
横軸原点 = 細線励起子ピーク位置
30
．．．現在考察中
まとめと今後の課題
Ｔ型量子細線レーザーの利得吸収スペクトル測定を行い、光学
利得の励起光強度（キャリア密度）依存性について調べた。
1. 細線の光学利得は透明キャリア密度 3~4x105 cm-1 で出現し始
める。この値は多体理論計算からの値とほぼ一致。
2. 理論計算で見積もられるのと同程度のピーク利得値が得られた。
3. 励起強度の増加に伴い、ピーク利得は最大値をとり、さらに増加さ
せると減少へと転じていく様子を観測した。
多体理論から示唆される高密度側でのピーク利得の“抑圧効
果”を観測していると考えられる。
今後の課題 :

光学利得測定でのキャリア温度上昇の影響
‥‥ 励起光子エネルギー依存性について詳細測定と考察

キャリア密度精度向上
まとめと今後の課題
Ｔ型量子細線レーザーの利得吸収スペクトル測定を行い、光学
利得の励起光強度（キャリア密度）依存性について調べた。
1. 細線の光学利得は透明キャリア密度 3~4x105 cm-1 で出現し始
める。この値は多体理論計算からの値とほぼ一致。
2. 理論計算で見積もられるのと同程度のピーク利得値が得られた。
3. 励起強度の増加に伴い、ピーク利得は最大値をとり、さらに増加さ
せると減少へと転じていく様子を観測した。
多体理論から示唆される高密度側でのピーク利得の“抑圧効
果”を観測していると考えられる。??
低エネルギー励起において、利得の減少が観測されない。
キャリア温度上昇などを考慮しての再考察が必要!
今後の課題 :
 光学利得測定でのキャリア温度上昇の影響
‥‥ 励起光子エネルギー依存性について詳細測定と考察

キャリア密度精度向上
END
利得吸収／発光スペクトルの比較
実験
理論計算 （19nmx8nm)
相違点:
 低エネルギー側
裾広がり
 BGRの大きさ
Fabry-Perot フリンジ解析（Cassidyの方法）
I(E ) 
A  (1 R)2 eg l
(1 R  eg l )2  4R  eg l sin2 θ
I sum
p
FSR  I min
1  1 p 1 
g  ln 

l  R p 1 
g
：Gain coeff.
R ：Reflectivity
2nleE

hcc
(Free Spectral Range)
D. T. Cassidy JAP, 56 3096 (1984).
光学利得の理論計算の比較
理論計算
Gpk
Peak material gain (cm-1)
x104
2.0
理論
1.5
T = 30K
60K
100K
300K
Colored lines
GaAs
14nmx6nm 矩形細線
infinite barrier
1.0
Black lines
SHF
0.5
0.0
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
Carrier density (cm-1)
2.5x106
GaAs
19nmx8nm 矩形細線
infinite barrier
利得吸収／発光スペクトルの比較
実験
理論計算
相違点:
 低エネルギー側
裾広がり
 BGRの大きさ