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舛本単一量子点プロジェクト

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総括責任者
(終了時)
舛本 泰章(筑波大学物理学系教授)
研究実施期間 平成7年10月〜平成12年9月

 

1.研究の概要

 「電子をナノメートルサイズの空間に閉じ込めることで、量子サイズ効果により電子のエネルギーを自由自在に操り、人工的に物質の電子状態を設計、制御したい」という期待から出発した半導体量子井戸や超格子などの半導体量子構造の研究は、実用的には、量子井戸レーザーや高移動度トランジスターを生み、半導体物理学に革命をもたらし、続いて、より低い次元の量子構造の研究に前線が移ってきている。量子構造の低次元化の流れの極限として0次元の量子点がある。球状の量子点に閉じ込められた電子は量子効果によるエネルギー離散化の結果、原子核の周りの電子と同様なエネルギー系列となる。この意味で量子点は巨大な人工原子と見なすことができる。原子を規則正しく並べることで結晶ができるように、量子点を規則正しく並べることによって、いわば、量子点結晶ができ、量子点結晶は新しいエネルギーバンド構造を持つことが期待できる。実際、この期待に添った具体的成果として、一次元量子点鎖の創成がある。
 同じ量子構造ではあるが、2次元的な量子井戸や1次元的な量子細線と量子点が本質的に異なる点は、103?106個程度の少数原子からなっていることである。数十%の原子が量子点の表面を構成しており、このことから量子点はまた表面科学の研究対象としても大きな将来性を持っている。
種々の手法で作製できる量子点のサイズは分布をもち、サイズにより量子点は異なったエネルギー・スペクトルを持つため光スペクトルは広がり、このことが量子サイズ効果の精密な観測や表面現象を含む新しい現象の発見を妨げてきた。
 本プロジェクトでは、最先端のレーザー分光法を用い、高い空間分解能で空間的に比較的少数の量子点を選び、かつ特定の量子点が低温で持つ狭い均一幅を線幅の狭い波長可変レーザーにより選択的に励起することによって、上記問題を解決し、単一の量子点の光物性を研究し(単一量子点分光)、更に、超短パルスレーザーの利用により、量子点の動的な振る舞いを時間に分解して研究を進めている。量子サイズ効果にとどまらない量子点の新しい現象の発見を目標としている。

2.研究体制と参加研究者
○研究体制
量子点形成グループ  【量子点の作製・形成過程と構造の研究】
(茨城県つくば市/日本電気(株)筑波研究所内)
分光解析グループ  【量子点の電子状態・励起状態の研究と新しい現象の探索】
(茨城県つくば市/筑波研究コンソーシアム内)
計算解析グループ  【量子点の分光研究の理論付けと新現象の予測研究】
(茨城県つくば市/筑波研究コンソーシアム内)
○参加研究者(グループリーダー、研究員)    (  )内は発足時からの通算
企業 大学・国研等 外国人 個人参加 総計
1(  1) 0(  0) 6(  6) 4(  5) 11( 12)

3.研究成果の概要
 
○特許出願件数
国内 海外
6 0 6
○外部発表件数(論文・口頭発表)
国内 海外
論文 0 25 25
総説・書籍 0 1 1
口頭発表 58 38 96
58 64 122

【発表主要論文誌】
  Physical Review B / Physical Review Letters / Applied Physics Letters

主な研究成果
1) 量子点の自己組織的な配列制御を実現
 高指数面方位のGaAs基板上にInGaAs量子点/GaAs層を繰り返し積層すると、InGaAs量子点が、次第に、一次元鎖として自己組織的に配列されていくことを見出した。この配列の発光は量子点の一次元鎖の方向に偏光していることが認められ、量子点間の結合を示すものとして注目される。
2) エリプソメトリ法を用いた量子点形成の“その場”観察手法の確立
 MOVPE(有機金属気相エピタキシー)においては従来困難であるとされてきた量子点形成の“その場”観察がエリプソメトリ法によって可能であることを見出した。本手法の確立によって成長のフィードバック制御が可能になり、量子点形成に於ける制御性が飛躍的に向上した。
3) 単一量子点からの発光の詳細構造を観測
 単一の量子点の発光スペクトルの観測に、MOVPE成長の低密度InAs、 InP量子点試料を用いて成功した。InP量子点において、弱励起下では量子点の状態密度を反映した鋭い発光線が観測され、励起強度を上げていくと、多重励起子状態の形成に伴い、発光線幅の増加や、発光線の数が2本、3本、・・・と増えていく様子が系統的に観測された。また、InAs量子点では、これまでマクロな方法でしか観測されていなかったレベルフィリング現象や励起状態を観測した。
4) 量子点の発光における偏光特性を観測
 InP量子点において、量子点を挟むGaInPマトリックス層のGaとInの濃度変化に起因して、強い光学異方性が現れることを見出した。顕微フォトルミネッセンス測定の結果、単一量子点からの発光はダブレット構造を有し、それぞれの発光ピークが異なる偏光特性を有することが明らかになった。この特性は、量子点を用いた面発光レーザーの偏波面制御や光素子への応用が期待される。
5) 単一量子点の磁場特性を観測
 InP量子点はドーム型又は頂上の平らなピラミッド型をしているため、励起子閉じ込めの強さが、高さ方向と面内方向で異なる。磁場の印加方向を変えて単一量子点からの発光スペクトルを観測した結果、高さ方向には量子閉じ込めが、面内方向には磁場閉じ込めが顕著に現れることを検証した。
6) 量子点のランダムテレグラムシグナル(間欠発光)を観測
 InP量子点の中に、発光の明滅現象を示すものが存在することを見いだした。この量子点からの発光のピークエネルギーが、時間と共に揺らいでいることが分かった。また、発光強度は、励起強度を上げていくと、更に細かく揺らぐ。これらを併せて考えると、量子点に閉じ込められて励起子が、複数の励起状態を行き来していることが予想される。
7) InP量子点エピタキシャル構造中に内在電場を観測
 InP量子点のフォトリフレクタンスを高感度ポンププローブ法により測定し、スペクトル中に振動を観測した。外部電界をかけた場合の反射スペクトルにも同様の振動が現れることから、この振動は内在の電場によるフランツケルディシュ振動であることが分かった。電場は量子点の周囲の歪みにより形成されるアクセプター準位に起因すると考えられる。
8) シリコンナノ結晶の発光特性の表面終端元素の違いによる変化を観測
 水素結合、及び重水素結合したポーラスシリコンのナノメートルサイズの微結晶の光学的性質を評価し、ポーラスシリコンの電子状態が量子サイズ効果だけでは記述できず、表面を終端した原子の振動モードと量子化電子状態が強く結びついた新しい状態を作り出していることを見出した。また、重水素で終端した場合は発光特性の劣化が約100倍程度抑えられることが分った。
9) 半導体量子点中に閉じ込められた電子とフォノンの結合を解明
 量子点中に閉じ込められた光学型フォノンはフレーリッヒ相互作用により励起子の強い影響を受けることを、ホールバーニング現象をサイト選択分光法として用いた実験、及び理論解析の両面より示した。例えば、CuCl量子点中では、1個の励起子が存在すると光学型フォノンのエネルギーは約1割小さくなる。


This page updated on December 8, 1999
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