吸収測定 一本の量子細線の光吸収を測れるか？ 透過レーザ光 太さ：１ mm 太さ：10 nm 試料が小さくて通常の方法では測定できない 一本の量子細線の光吸収測定アイディア 光と細線の相互作用する距離を増やしてやる 励起レーザ 長さ ~mm 微小体積 均一性 複雑な構造 低温測定 レーザー光 ~mm 光導波路 ~nm 半導体細線 本研究の目的 • 顕微PL測定を用いてT-型量子細線レーザの発光特性を明らかにす る。 →顕微イメージ測定により導波路からの発光・発振の 空間パターンを調べ、その起源となる量子構造を特定す る。 • 光導波路を用いた透過測定を行い、量子細線の吸収の絶対値を明 らかにする。 →量子細線1本の励起子吸収を測定する。 →室温における励起子吸収を測定する。 T-型量子細線構造 6 nm GaAs arm 井戸 T-細線 14 x 6 nm 1990年に作製 1993年にレーザ発振 14 nm 7% AlGaAs stem 井戸 へき開再成長 [110] [001] GaAs substrate (001) MBE 成長 stem 井戸 o 600 C In situ へき開 (110) MBE 再成長 arm 井戸 o 490 C by L. N. Pfeiffer et al., APL 56, 1679 (1990). 成長中断アニーリング 490℃ Growth 510-600℃ Anneal １原子レヴェルで平坦な界面 10 mm 以上 (By Yoshita et al. JJAP 2001) ドーピングなし 5 K で発振（金蒸着） 実験方法 発振スペクトルの励起強度依存性（20T-細線、5 K） 強励起時には3つの発振が起こっている。 3 mW Yasushi Takahashi et al. APL (2003) 顕微透過測定による単一量子細線の 吸収スペクトル E-field Yasushi Takahashi et al. APL (2005) 10 mm spot ピーク値=80 cm-1 -1 a/G=80/0.00046 積分強度=212 =170000 cm-1 cm meV exp(-aL)=0.018 半値幅=1.6 meV B. Hakki and T. Paoli J. Appl. Phys. 46, 1299 (1974) 数値計算 Loudon、小川が行った最も単純な方法で吸収スペクトルを求めてみる。 電子・正孔の包絡線関数に対するシュレディンガー方程式 電子正孔の相対運動を1次元のみと近似する。 f(z) : 電子正孔の包絡線関数 z : 電子正孔の相対座標 z0 : カットオフ長 連続状態 束縛状態 z0 は束縛エネルギーが13 meV となる値 z0 / aB =0.347 を用いた。 数値計算による量子細線の吸収スペクトル バンド端に1次元状態密度のピーク構造は見られない。 1次元の特徴として、励起励起子の吸収が小さくなる。 励起子とバンド間吸収の強度比は実験値から大きくずれてない。 強度比：9.0 室温までの吸収スペクトル測定 単一細線レーザ → 20周期量子細線レーザ 光閉じ込め率9.3 倍になる 結合効率0.4に増える 3.6 meV Yasushi Takahashi et al. APL (2005) 20吸収spe まとめ 顕微透過分光測定系を開発して、T-型量子細線レーザの光特性を研究した。 顕微PL・イメージ測定によりT-細線、stem 井戸、arm 井戸からの３つの 発振を同定した。T-細線からの発振モードは良好な円形だった。 顕微透過測定により量子細線の吸収スペクトルを測定した。 量子細線1本の励起子吸収は、5 K において80 cm-1 となり、導波路500 mm で透過率2 % 以下だった。励起子積分強度は理論の値と良く一致していた。 またカットオフ長を取り入れた吸収スペクトル計算を行い、バンド端近傍の 特徴が実験結果と一致することを確認した。 20周期量子細線レーザを用いて初めて量子細線の室温励起子吸収を 観測した。強い吸収、狭い半値幅と応用上有利な特性が明らかとなった。 今後の展望 ポンププローブ測定により量子細線における利得生成過程のキャリア 状態変化の考察、利得係数の絶対値の決定、キャリア応答時間の決 定等、多くの重要な物性が明らかにできるはずである。 細線の数を減らしたレーザ試料の共振器端面にARコートを行うのが 利得測定には有利である。 フェムト秒レーザのブロードな光を使えば、簡易に吸収測定ができる 可能性がある。光ファイバーを利用すること等、より一層の顕微透過 測定の改良が可能である。
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