GaN系半導体量子ドットの電子構造と発光機構の原子レベルからの解明
【研究分野】応用物性・結晶工学
【研究キーワード】
窒化物半導体 / 窒化ガリウム / 窒化インジウムガリウム / 量子ドット / 電子構造 / 強結合法 / 価電子力場法 / 量子閉じ込め / 窒化インジウム / 混晶 / 量子閉じ込め効果
【研究成果の概要】
近年、InGaN量子ドットのGaN上での成長、及びそれを活性層とするレーザ構造からのレーザ発振が報告されている。本研究において我々は、量子ドットの光学特性の理解のために、InGaN量子ドットの電子構造を強結合法を用いて理論計算した。InGaN量子ドットは、(1)バリア層に囲まれていないfree-standingなドット、及び、(2)GaNバリア層で囲まれたドット、の2種類について電子構造の計算を行った。実験との比較のためには後者が重要で、ここでは、底面が(0001)面の六角柱形のIn_<0.2>Ga_<0.8>N量子ドットを想定し、これをGaNバリア層で囲み、全体も六角柱となる構造について電子構造を計算した。原子配列の計算にはKeating型のValence-Force-Field法を用い、電子構造の計算にはsp^3基底の強結合法を用いた。計算した中で、最も大きな構造は、バリア層21Åで囲まれたIn_<0.2>Ga_<0.8>N量子ドット(直径86.4Å、高さ20.8Å)であり、実験的にもこの大きさのドットを成長することが可能である。この構造に対して、ギャップ近傍の正孔準位と電子準位をそれぞれ3個まで(V1〜V3、C1〜C3)計算した。正孔側は3個共に近接した準位、電子側は基底準位(C1)と近接した励起準位(C2、C3)となっていた。また、ギャップ値はEg(C1-V1)=2.715eVと計算された。基底電子準位の電荷分布を調べたところ、波動関数はドット中にほぼ閉じ込められているが、InGaN混晶の原子配列の不規則性を反映して、電荷分布は揺らぎを持つことが明らかになった。この計算結果を用いて、光学遷移の振動子強度や励起子の結合エネルギーを計算することが可能である。
【研究代表者】
【研究分担者】 |
荒川 泰彦 | 東京大学 | 先端科学技術研究センター | 教授 | (Kakenデータベース) |
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【研究種目】基盤研究(C)
【研究期間】1998 - 1999
【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)