高品質T型量子細線の顕微発光スペクトルと一次元励起子状態の研究

高质量T型量子线的微观发射光谱和一维激子态研究

• 批准号: 04J11459
• 负责人: 伊藤 弘毅
• 金额: $ 1.79万
• 依托单位: The University of Tokyo
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2004
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2004 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-04J11459/
• 关键词: 半導体量子細線; 一次元系; 励起子結合エネルギー; 励起子振動子強度; 発光スペクトル; ドライエッチング; AlAs; GaAs; InGaAsP; 量子細線; 量子井戸; 低次元系; AIAs; 発光線幅; レーザー; 一次元; 励起子; 発光励起スペクトル; AlAs量子井戸; MBE成長条件; 数値計算

一次元系である半導体量子細線は試料作製及び測定上の困難により次元性の検証が未だ不十分である。本研究のねらいは高品質量子細線を用いた次元性の検証にある。(1)GaAs系T型量子細線T型量子細線とは分子線エピタキシによる劈開再成長法で量子井戸を垂直に交差させたものである。これらの厚みが5nm5nmと薄く、まAlAs障壁を持つ構造が事実上最も閉じ込めが強く、次元性の検証には最適である。励起子結合エネルギーは、理想二次元系では有限だが理想一次元系では無限大に発散する。この意味でこれの大きさは量子細線の一次元性を特徴づける。高品質試料と測定系の開発により、上記の系でS/N比良い発光励起スペクトル実験結果を得たが、解析の結果励起子結合エネルギーは二次元系のものと同程度(15meV程度)にすぎないことがわかった。数値計算結果から、これは波動関数が量子井戸内にしみだすためと考えた。一方で、振動子強度の観点においては励起子の一次元性を確認できた。(2)InGaAsPエッチング量子細線有機金属化学気相成長、電子線リソグラフィ、ドライエッチング工程による量子細線は制御性が大きく閉じ込めが強い。T型量子細線の結果との比較議論のため、測定に取り組んだ。高品質試料、実験系・手法の開発を経て、幅が39nmから6nmに至るまでの単一量子細線(厚みは6nm)の顕微発光スペクトル測定に世界で初めて成功した。解析から細線幅揺らぎの量が3nmと解ったが、これによるスペクトル不均一拡がりは15meV程度で、励起子結合エネルギーと同程度である。つまり次元性の検証にはざらに高品質な試料が必要と解り、これに向け作製グループと密接に議論した。また発光強度測定により、発光量子効率におけるドライエッチングの影響を評価し、今後の試料作製における重要で明確な課題を得た。

半导体量子线属于一维系统，由于样品制备和测量的困难，其维数尚未得到充分验证。这项研究的目的是使用高质量量子线验证维度。 (1)GaAs基T型量子线 T型量子线是利用分子束外延的解理-再生长方法使量子阱垂直交叉的一种量子线。厚度为 5 nm 或 5 nm 的薄结构和 AlAs 势垒有效地具有最强的限制，使其成为验证维度的理想选择。激子结合能在理想的二维系统中是有限的，但在理想的一维系统中发散到无穷大。从这个意义上来说，这个尺寸表征了量子线的一维性。通过开发高质量的样品和测量系统，我们在上述系统中获得了具有良好信噪比的发射激发光谱的实验结果，但分析结果显示，激子结合能与系统中的激子结合能大致相同。二维系统（大约15 meV）事实证明并不算太多。根据数值计算的结果，人们认为这是由于波函数渗入量子阱所致。另一方面，从振子强度的角度，我们证实了激子的一维性。 （2）InGaAsP刻蚀量子线采用金属有机化学气相沉积、电子束光刻、干法刻蚀等工艺生产的量子线可控性大、禁闭性强。我们进行了测量，并与T型量子线的结果进行了比较和讨论。通过开发高质量样品、实验系统和方法，我们在世界上首次成功测量了宽度从39 nm到6 nm的单量子线（6 nm厚）的微观发射光谱。分析表明，线宽波动量为3 nm，但产生的不均匀谱展宽约为15 meV，与激子结合能大致相同。换句话说，我们意识到我们需要一个极高质量的样本来验证维度，为此我们与制造团队进行了密切的讨论。此外，通过测量发光强度，我们评估了干法刻蚀对发光量子效率的影响，并为未来的样品制备提供了重要而明确的问题。