【研究領域課題番号】20H02559 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子電子光学 / 表面弾性波 / 量子デバイス / 飛行量子ビット / 量子ドット / 量子細線 / 圧電帯薄膜 / 圧電体薄膜 / 量子ビット

【研究成果の概要】

「GaAs/AlGaAs半導体二次元電子系における量子電子光学実験に向けた基盤技術の開発」に関しては、まずピコ秒スケールの電圧パルスを活用し、表面弾性波によって運ばれる単一電子の飛行中の位置分布を調べた。その結果、ある閾値を超える強度の表面弾性波で電子を移送することで、特定の表面弾性波のポテンシャル底を選び、電子を運べることを示した。現在は、その知見を利用し、結合量子細線に２個の電子を同期して注入し、クーロン相互作用を利用した位相制御器の実現に向けた実験に取り組んでおり、成果が出始めている状況である。また、初年度に技術開発を行った単一のポテンシャル底を持つ表面弾性波を用い、単一電子の移送実験を行った。その結果、99%を超える高い効率で単一電子の移送を行うことに成功した。
「Si電子系における単一電子移送の実現」に関しては、初年度から継続し、より高強度な表面弾性波をSi電子系に導入するため、絶縁体膜や圧電帯膜の最適化に取り組んだ。現在は、新たに設計した膜構造の上に作製したIDTの評価を行っている。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2020-04-01 - 2024-03-31

【配分額】18,200千円 (直接経費: 14,000千円、間接経費: 4,200千円)

【研究分野】物性Ⅰ

【研究領域課題番号】21740220 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

物性理論 / メゾスコピック系 / 量子ドット / 量子コンピュータ / 量子細線

【研究成果の概要】

量子ホール効果を利用して作成された一次元電子系と量子ドットを結合させた系の動的輸送特性を理論的に解析した。電子間相互作用が強くなると量子相転移現象が生じ、電子の量子コヒーレンスが完全に失われて、これまでの理論で記述できない動的応答が得られることを示した。また単一電子注入におけて電子間相互作用が量子コヒーレンスに及ぼす影響を評価した。近藤量子ドットの電流相関や非平衡版オンサーガー関係式についても研究を行った。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2009 - 2011

【配分額】4,550千円 (直接経費: 3,500千円、間接経費: 1,050千円)

【研究分野】数理物理・物性基礎

【研究領域課題番号】17340115 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

物性基礎論 / ナノ材料 / 量子ドット / 計算物理 / 共鳴状態 / ファノ共鳴ピーク / 干渉 / 多体束縛状態 / アンダーソン模型 / エンタングルメント / メゾスコピック糸 / 粒子数保存則 / 準安定状態 / 量子細線 / ファノピーク / 統計力学 / メゾスコピック系 / 量子ホール効果 / スピン軌道相互作用 / 非エルミート量子力学 / 開放量子系 / 共鳴 / 複素固有値 / 量子ネルンスト効果 / ファノ共鳴 / フラクタル

【研究成果の概要】

メゾスコピック系の電気伝導において、メゾスコピック系内の電子間相互作用や、メゾスコピック系に接続されている導線がどのような効果を及ぼすかを議論した。前者が多体の束縛状態を、後者が共鳴状態を生み出すことを明らかにした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2005 - 2008

【配分額】9,180千円 (直接経費: 8,400千円、間接経費: 780千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】14350170 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体ナノ構造 / 量子ドット / 量子細線 / MBE / MEE / フォトニック結晶 / 選択エピタキシャル成長 / 弾道輸送現象 / δドーピング / ナノデバイス / AlGaAs / GaAsヘテロ構造 / 収束イオン注入 / AIGaAs

【研究成果の概要】

これまで半導体を用いた二次元電子系においては量子ホール効果、分数量子ホール効果をはじめとした様々な電子物性や量子相関が明らかにされてきた。しかしながらさらに次元性の低い一次元、ゼロ次元電子系では電子物性研究の進展やデバイス応用の研究が著しく遅れている。この原因は平坦な二次元構造では原子スケールの構造精度がほぼ完全に達成されているのに対し、一次元・ゼロ次元構造ではそれが極めて不完全であることによる。本計画ではこれまで半導体ナノ構造の製造技術として開発を進めてきたMEE技術を進化・最適化することにより、おもにIII-V族化合物半導体を用いて、構造精度の極めて高い量子細線構造、量子ドット網構造などの製作技術を確立し、それらの構造を用いた新しい現象の探索を行った。III-V族化合物半導体の特性を生かすにはヘテロ接合が不可欠である。このため低次元構造の製作技術に関してはAlGaAs/GaAsをはじめ、InAs/GaAs、InGaAs/GaAsなどの諸材料を用いて行った。量子細線、量子ドット等の製作では、サイズと配列の不均一性・不規則性を排除するため、これまでの自己形成型の手法はとらず、電子線露光をベースに選択エピタキシャル成長の方法をとった。ナノ構造を設計どおりに実現するには横方向成長を阻止する必要があったが、MEE法を最適化することによりこれを実現した。その結果極めて均質性の高い一次元量子細線、ゼロ次元量子ドットの製作に成功すると共に、これらを用いた二次元格子配列構造の製作技術が確立できた。AlGaAs/GaAsを用いた量子ドット格子は、二次元フォトニック結晶として有効に機能することが明らかになった。さらに量子ドット-量子細線ネットワークの製作にも成功し、所期の性能を得た。一方InAs/GaAs量子ドット構造ではヒロックの発生に直面したが、結晶学的な解析によりその原因を究明し、この系においても構造精度の高い低次元構造の実現を可能にした。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2002 - 2004

【配分額】11,900千円 (直接経費: 11,900千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】11555091 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

ナノ構造 / 量子ドット / 量子細線 / 量子井戸薄膜 / 量子準位 / 光学遷移 / 電子散乱 / 赤外光 / 量子(井戸) / エネルギー準位 / 中赤外光 / シュタルク効果 / 光イオン化 / 自己形成 / 単一ヘテロ構造 / 伝導特性 / メモリ素子 / 赤外検出器 / ボロメータ / 光学フォノン

【研究成果の概要】

10nm級の量子(井戸)薄膜・量子細線・量子ドットなど半導体ナノ構造において、その内部に形成される一連のエネルギー準位やサブバンドの関与する電子の光学遷移や散乱過程を制御する手法を探索するとともに、光変調デバイスへの応用可能性を探る研究を進め、以下に示す知見を得た。
まず、量子ドットに関しては、(1a)積層ドットに電界を加えた時の光吸収スペクトルの解析を進め、禁制遷移の寄与や吸収線の幅や高さを制御する可能性を示した。また、(1b)局所的歪みで誘起されるドット系において、蛍光スペクトルの形状がテラヘルツ電界の作用で大きく変調される現象の仕組みに考察を加え、隣接する薄膜内のキャリアがドットに流入することと、キャリアがドットへ接近して、ドット内のオージェ緩和を促進する機構が重要であることを指摘した。さらに、(1c)ドットをFETの伝導路の近くに配した構造での電子散乱過程を計測・解析し、ドット自身の引力的ポテンシャルの作用は、捕縛電荷による斥力ポテンシャルの作用によってある程度は減殺されるものの、支配的役割を果たすことなどを見出した。
量子細線に関しては、(2a)微傾斜基盤上に形成したステップ形の細線構造において異方的な電子散乱と光学特性の異方性の特色を明らかにした。また、(2b)メサ構造の稜線を用いたリッジ細線について、光学スペクトルの偏波依存性を調べ、細線構造のわずかな非対称性が大きな影響を及ぼすことなどを示した。
また、量子井戸薄膜のサブバンド吸収スペクトルに関しては、(3a)昨年度に検討した電子数依存性に関する知見を深めるとともに、(3b)量子井戸の界面凹凸が吸収線幅に及ぼす効果を詳細に調べ、移動度の測定解析から得られた知見と補完的な知見の得られることを示した。
なお、ゲート電界の作用でドット内の電子数を増減させ、この時生じるバンド間光学特性の変調効果については、理論解析を進めたが、実験的検証は今後の課題に留まった。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2001

【配分額】12,600千円 (直接経費: 12,600千円)

【研究分野】電子・電気材料工学

【研究領域課題番号】10750223 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

青色面発光レーザ / 青色量子ドットレーザ / InGaN量子ドット / 有機金属気層成長 / 窒化物半導体 / InGaN量子井戸 / T型量子細線 / 磁気フォトルミネセンス / 量子細線 / 量子ドット / ガリウム砒素 / 分子線エピタキシー / 有機金属気層成長法 / へき開再成長法 / 半導体レーザ

【研究成果の概要】

本研究では、新しい結晶成長法を活用して、ナノ構造に閉じ込められた電子が光と有効に相互作用する新しい微細構造を開発し、ナノ半導体レーザへの道を拓くことを目的として研究を進めてきた。その結果、次のような成果をあげることができた。
(1)T型量子細線の磁気フォトルミネセンス分光
低閾値の量子細線レーザを実現するためには、1次元電子の物性の解明が重要である。我々は、5nm寸法のT型量子細線の磁気フォトルミネセンスを測定し、T細線に閉じ込めれられた電子の波動関数の形状を解析することによって、1次元電子の波動関数の広がりに対する横方向閉じ込め効果を明らかにした。
(2)青色InGaN量子ドットレーザの室温レーザ発振
InGaN量子ドットを活性層に有するレーザは現状のInGaN量子井戸レーザよりもさらに特性が向上することが期待されている。本研究では、InGaNの自己組織化現象を利用した独自のInGaN量子ドットの作成法を開発し、青色レーザに応用した。その結果、InGaN量子ドットを活性層に有するレーザ構造を試作し、光励起によってレーザ発振を初めて実現した。
(3)青色InGaN量子井戸面発光レーザの光励起レーザ発振
窒化ガリウム(GaN)を用いた青色の半導体レーザが国内外で開発され、デジタル・ビデオ・ディス(DVD)どの高密度光記録用の光源として利用されつつある。この高密度光記録の読み出し速度を高速にするために、青色面発光レーザへの期待が高まっている。筆者は、有機金属気層成長(MOCVD)法に改良を加え、反射率97%の半導体ミラーを作製するなど、青色面発光レーザの主要な作製技術を確立した結果、InGaN面発光型レーザの室温レーザ発振に成功した。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】1998 - 1999

【配分額】2,100千円 (直接経費: 2,100千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】09355001 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

隣接閉じ込め構造 / 選択成長 / 量子ドット / SiGe混晶 / イオン注入 / 変調ドープ構造 / 界面ラフネス散乱 / 不純物散乱 / SiGeの混晶 / 量子細線 / Si(311)面 / ガスソース分子線エピタキシ- / Stranski-Krastanow成長様式

【研究成果の概要】

歪み緩和をさせたSiGe膜をSi基板上に結晶成長し、これを疑似的な基板として用い、その上に引っ張り歪みSi量子井戸、圧縮歪みGe量子井戸を成長させた。このようにして、電子と正孔に空間的に分離して閉じ込める「隣接閉じ込め構造」という量子構造を実現し、発光効率の大きな向上、特に非常に強い無フォノン遷移を実現することに成功した。
また、歪み緩和SiGe膜を得る新たな手法として、微小領域への選択成長を試みた。その結果、表面原子の拡散だけでは説明できない、歪み緩和に起因したSiGeの特異な形状変化を見いだすとともに、数十nm程度の膜厚で、SiGe緩和膜が得られることがわかった。この選択成長を、Ge量子ドットのサイズおよび位置制御に用いることも試み、Si基板上においてナノスケールでの成長制御を確立し、ドットのサイズに依存した光学特性を見い出した。
伝導特性に関しては、歪み緩和したSiGe混晶にイオン注入したAsの活性化過程について検討し、活性化温度および活性化率の明瞭な組成依存性を観測した。特に、Ge組成の小さい組成においては、活性化温度の上昇が見られ、原子レベルでの歪みの影響による、活性化障壁の存在を初めて見いだした。また、歪みSiチャネルを利用した変調ドープ構造において、高電子移動度を実現するとともに、界面ラフネス散乱、不純物散乱など、その制限要因について詳細に検討した。純Geをチャネルを利用した変調ドープ構造も作製し、高いホール移動度を実現した。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1997 - 1998

【配分額】30,800千円 (直接経費: 30,800千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】08555081 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 微小共振器 / 量子井戸 / テラヘルツ電磁波 / 量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / レーザ / 化合物半導体 / 光デバイス

【研究成果の概要】

情報通信技術の発達はさまざまな電磁波領域の開拓を必要としてきている。これは単に情報量の増大のみならず、さまざまな情報のやりとりを実現するために要請されてきている。
本試験研究では、21世紀のテラビット級情報ネットワーク構築をめざした基礎技術として、コヒーレント・テラヘルツ電磁波発生のための半導体集積デバイスの開発研究を行い、テラヘルツもしくはフェムト秒テクノロジーという研究分野の実用化に寄与することをはかった。まず、絶縁性GaAs基板上にGaAsを低温成長しその表面および基板裏面に光導伝ダイポールアンテナを集積化し、フェムト秒レーザパルスを用いたポンププローブ法により、テラヘルツの発生と検出を行った。その結果感度を2.5倍向上させることができた。この結果は本素子の有効性を示すものである。さらに新しい原理のデバイスとして、半導体微小共振器と多重量子井戸を面型に組み合わせたしたコヒーレント・テラヘルツ電磁波発生用半導体集積デバイスを提案し素子設計を行った。また、これにもとづきMOCVD結晶成長により素子の試作を行った。その基礎実験を行った。本素子は、半導体量子井戸を有する微小共振器においてわれわれが1992年に世界に先駆けて見い出した励起子ポラリトン効果(量子井戸中の励起子と微小共振器中の光子のコヒーレント相互作用による真空ラビ振動)を利用したものである。フェムト秒分光システムによりポンプ・プローブ法により反射スペクトルを観測することにより、光を搬送波とする2テラヘルツ程度のテラヘルツ振動を観測することに成功した。
本研究により、集積テラヘルツ電磁波発生システムの基礎付けが行われ、マイクロ波フォトニクスにおける新たな展開をもたらす可能性を示唆することができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1996 - 1997

【配分額】17,400千円 (直接経費: 17,400千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】07405018 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ドット / 微小共振器 / フォトニック結晶 / STM / レーザ / ピコ光パルス / 半導体 / 量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / 化合物半導体 / 光デバイス

【研究成果の概要】

1982年に量子ドットレーザが提案されて以来、半導体ナノ構造構造の研究は急速に発展し、固体物理およびエレクトロニクスの研究分野に大きなインパクトをもたらしてきた。しかし、これまでの多大な努力にもかかわらず、形成技術や量子ドットの物性の解明が十分ではないため、現時点においては量子ドットレーザが当初予想されたような性能を実現するには至っていなかった。
本研究では、量子ドットの形成および物性物理の解明を踏まえて、量子ドットレーザの実現の基礎固めをはかることをめざしている。まず、量子ドットの新しい作製法として、選択成長を用い2次元V溝構造を形成しその中に量子ドットを成長させる手法を開発するとともに、自己形成量子ドットの作製技術の確立を行った。特に、前者においては垂直量子細線も形成可能であることを示すとともに積層構造も作製した。また、量子ドットの局所的評価手法として、近接場光学顕微鏡による量子ドットからの発光の観測を行い、強磁場における量子ドット中の電子のスピン分裂の観測に世界で初めて成功した。また、低温STMを用いたトンネル発光の実験を量子ドットについて初めて行い、単一量子ドットからの発光を確認するとともに分光に成功した。これらの結果はナノテクノロジー技術の開拓に重要なインパクトを与えるものである。さらに、量子ドット中のキャリアダイナミックスを時間分解測定により明らかにするとともに、微小共振器型量子ドットレーザの発振に成功し、ピコ秒光パルスの生成を行った。また電子とフォノンとの相互作用について理論研究を行い、いわゆるフォノンボトルネックは殆ど問題にならないことを初めて示した。2次元フォトニック結晶における新欠陥構造の提案と解析をさらに進めた。さらに、以上の研究により次世代の半導体レーザのあり方を浮き彫りにすることができた。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1995 - 1997

【配分額】35,300千円 (直接経費: 35,300千円)

【研究分野】応用物性・結晶工学

【研究領域課題番号】06452103 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

シリコンゲルマニウム / 量子井戸 / 量子細線 / 量子ドット / 隣接閉じ込め構造 / 間接遷移型半導体 / 超格子

【研究成果の概要】

本研究では、次世代の高機能半導体集積回路として期待される、光電子集積回路の実現に大きく寄与すると予想される、良質な光学特性を有するシリコン系超構造半導体の開発に取り組んだ。その結果、Si/pure-Ce/Si量子井戸において成長様式と光学特性に強い相関があることが明らかになった。Geの量変化に対する2次元量子井戸の発光ピークの変化(量子閉じ込め効果)、島に付随した発光帯の出現、の両者を観測することにより、島状成長の臨界膜厚は3.7MLと求められた。島からの発光にも量子閉じ込め効果が観測され、量子ドット的な性格を持つことがわかった。また、室温においても量子ドットからの発光が観測された。1.0ML以下のGe層の光学特性について詳細に調べたところ、成長方向への厚みは一定であるにも関わらずエネルギーシフト(量子閉じ込め効果)が観測された。これはステップ端に集まったGe細線の幅の変化によるもの、即ち面内量子閉じ込め効果であることがわかった。Geの量が0.37ML以上下の試料に関して励起子分子の形勢、状態密度の増加が見られた。これらはGe量子細線の形成によるものと考えられる。また、成長様式の変化によって生じた島が、周囲の構造に歪みを印加しポテンシャル変調を引き起こすこともわかった。また、隣接閉じ込め構造という、電子と正孔を空間的に分離して閉じ込める新しい量子構造を提案し、SiGe系およびAlGaP系において飛躍的に発光効率を向上させることを示した。特にSiGe系においてはフォノンを介在しない発光が選択的に強くなり、今後の発光デバイスへの応用は期待できる。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】4,000千円 (直接経費: 4,000千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】06555100 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子ナノ構造 / MOCVD / 量子細線 / 量子箱 / 微小共振器 / レーザ / 化合物半導体 / 光デバイス / 歪構造 / 半導体レーザ / 量子ドット / ステップエッジ

【研究成果の概要】

21世紀の超高速大容量光情報伝送や光情報処理の実現のためには、時間軸と空間軸の両方において高密度化が可能な光源の開発が不可欠である。しかし実現の道はそれほど近くはない。したがって、このような次世代光技術をささえるために新たな半導体レーザを開拓し、その技術を確立することは急務といわざるを得ない。
本試験研究では、上述の究極レーザのひとつとして、量子細線を活性層に有する垂直型微小共振器レーザをこれまでの本研究者の実績をふまえて試作し、その高性能性を明らかにする。これにより「量子微小レーザ」が超高密度(時間的・空間的)集積光システムの中心になり得ることを実証し、次世代の集積レーザのあり方が浮き彫りにする。
本研究計画で得られた成果は,量子ドットの作製技術としては,(1)形成の初期過程の観察(2)自然配列化(3)新しい作製法の開拓(4)微小共振器量子ドットレーザ作製(5)壁開面上への量子細線の選択成長について成果を挙げるとともに,ナノメートルスケールの光・電子相互作用の解明として(6)近接場光顕微鏡による量子ドットの光学評価(7)マイクロフォトルミネッセンスによる2次元電子ガスとポイントコンタクト構造における電子の噴出現象の可視化を進めた。さらに,(8)共振器ポラリトンにおける励起子-励起子散乱の効果の解明(9)微小共振器中の量子井戸における磁気励起子効果の観測(10)2次元フォトニック結晶における新欠陥構造の提案など,共振器効果についても重要な知見を得ることができた。
これらに加えて垂直共振器型量子細線レーザおよび垂直共振器型量子ドットレーザを試作し,光ポンピングによる低温レーザ発振に成功した。
本研究成果はナノ構造を有する半導体レーザの実用性の可能性を明らかにしたものであり,今後のデバイス技術の発展に大きく寄与するものである。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1994 - 1995

【配分額】13,200千円 (直接経費: 13,200千円)

【研究分野】電子デバイス・機器工学

【研究領域課題番号】05452194 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

量子細線 / 量子箱 / 歪構造 / MOCVD / 量子ドット / 半導体レーザ / 微小共振器 / ステップエッジ

【研究成果の概要】

本研究では、新たに「歪(ひずみ)」の効果を量子細線や量子ドットに導入することにより、半導体レーザの超高速化を図ることを目的として基礎研究を行う。そのために歪量子細線や量子ドットなどいわゆる「歪量子マイクロ構造」をMOCVD選択成長法を用いて実現する。さらにこれらの技術に基づき、電子・光物性を実験的に明かに歪量子マイクロ構造を有するレーザ(すなわち歪量子細線レーザおよび歪量子ドットレーザ)の実現を図り、このレーザが超高密度(時間的・空間的)次世代集積光システムの中心になり得ることを実証することをめざす。本研究により、次世代の超高性能レーザのあり方が浮き彫りになるとともに、ナノ構造デバイスの実現化の道が切り開かれることが期待できる。
具体的効果は次のとおりである。(1)歪量子ドットをMOCVD法を用いた自然形成法を用いて作製し、その光物性を明らかにした。そのサイズは15nmであり、この手法によって作製されたものとしては世界最小である。特に、自然形成法の問題点である位置の制御、密度の制御について研究をすすめた。特にステップバンチング現象を用いてマルチステップエッジを直線的に形成し、この上に量子ドットを成長させる。これにより量子ドットの配列化が可能となった。(2)選択成長法を用いて歪量子細線を作製した。(3)微小共振器を有する歪量子細線レーザを世界で初めて作製し、77Kにおけるレーザ発振に成功ひた。
本研究でえられた成果は次世代の半導体レーザの発展にきわめて有用である。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1993 - 1994

【配分額】6,800千円 (直接経費: 6,800千円)

【研究分野】電子機器工学

【研究領域課題番号】04555083 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

半導体レーザ / 量子細線 / MOCVD / 微小共振器 / 半導体レ-ザ / 量子マイクロ構造 / 量子井戸 / 量子ドット / ガリウムひ素 / インジウムガリウムひ素

【研究成果の概要】

21世紀の超高速大容量光情報伝送や光情報処理の実現のためには、時間軸と空間軸の両方において高密度化が可能な光源の開発が不可欠である。これまで、空間軸上では、面発光レーザを用いた2次元集積アレイ化が試みられている。しかし、消費電力を抑えるためにしきい値電流を下げるという課題が残っている。一方、時間軸上では100GHz以上の変調が必要であるが実現の道はそれほど近くはない。
本研究では、本研究代表者のこれまでの研究実積に基づき、量子細線レーザーの実現のための作製技術の確立をはかり、このレーザが超高密度(時間的・空間的)集積光システムの中心になり得ることを実証することをめざしてきている。本研究により、次世代の集積超レーザのあり方が浮き彫りになるとともに、ナノ構造デバイスの実用化の道を切り開くことができる。
本年度は、MOCVD選択成長によりファブリペロ-共振器を有する歪量子細線レーザを作製し、光励起実験を低温で行った。さらに、これらの技術を踏まえて、垂直微小共振器構造を有する歪量子細線レーザを試作することに成功した。微小共振器効果が存在することを、フォトルミネッセンス測定を通じて確認するとともに、77Kにおいて光励起実験を行った。これらの結果は、電子と光子を3次元的に閉じ込めた突極のレーザである「微小量子レーザ」の実現への第一歩として位置付けることができ、また、実用化への道を開くものである。当初の目的は十分達成されたと考えられる。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】12,100千円 (直接経費: 12,100千円)

【研究分野】電子機器工学

【研究領域課題番号】03452178 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

マイクロ共振器 / 半導体レーザ / 量子細線 / 量子ドット / 励起子 / 選択成長 / MOCVD / 量子効果 / 垂直共振器 / 量子井戸レ-ザ / 量子箱 / フォトルミネッセンス / 半導体レ-ザ

【研究成果の概要】

本研究では、半導体レーザにおいて電子波と光波の両方の量子場の完全制御をおこない、次世代の超高性能レーザのあり方を浮き彫りにすることを目的として、電子波を完全に制御する量子構造(量子井戸、または量子細線・量子箱)と、光波を完全に制御する3次元的なマイクロ光共振器を有する量子マイクロ共振器レーザの作製技術の開拓とこのようにモードが完全に制御された光の場と電子波との相互作用の理論的・実験的究明をおこなった。
まず、量子細線・量子ドットの作製技術の確立をめざして、MOCVD選択成長によるGaAs量子細線・量子ドットの実現をはかり、その光学的性質を明らかにした。その結果、一辺が7nm程度のGaAs電子細線および横寸法25nmの量子ドットを作製することに成功した。さらにさまざまな寸法の量子細線を作製について、そのフォトルミネッセンス(PL)、PL励起スペクトルの測定を行い、量子準位に対応したピークのブルーシフトが得られることを示した。さらに、励起子の寿命を測定し、量子細線閉じ込めが強くなると、長くなるとを見いだした。
一方、半導体マイクロ共振器効果については、垂直共振器の反射スペクトルにおいて、励起子モードと共振器モードの結合による共振モードの分離現象を観測した。その結果、励起子モードと共振器モードのエネルギーが一致しているとき、結合効果によるスペクトルの分離を観測することに成功した。この現象は真空Rabi振動と解釈できる。さらに、選択成長を用いてエッチング技術を用いずに3次元マイクロ共振器の作製を試みた。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1991 - 1992

【配分額】6,300千円 (直接経費: 6,300千円)