Toshiyuki KAIZU (海津 利行)

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research, Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 3200000, indirect: 960000)
本研究では外部の電界を量子ドット（QD）超格子構造に印加し、これを含む共振器構造を透過する光信号の変調成分をとらえることにより、電界を高感度に検出するセンサの実現を目指す。本年度は、量子効果の導入による電気光学係数自体の増大効果、および光共振器構造による光子の長寿命化による電気光学効果の増強効果、の二つの効果に焦点を合わせて研究を進めた。 QD超格子構造の電気光学係数の評価を行うための導波路素子の準備と電気光学係数評価光学系の検討を進めるとともに、光共振器構造の基本設計理論の構築に重点 をおいて研究を行い、以下のような成果を得た。


QD超格子構造を含む導波路素子については、暗電流や逆方向電圧印加特性など基本的特性を測定して光学測定への適用性を確かめた。また電気光学係数の計測光学系については、光信号偏光特性計測の精度を十分に高めるための光学系の新たな設計を行って部品選定を完了し、次年度の高精度測定系の構築の見通しを得た。


光共振器構造の設計においては、共振器のQ値増大による光子寿命の延長に起因する電気光学効果の増強と、Q値の増大に伴う透過光出力の減衰との間に生ずるトレードオフ関係を考慮しながら共振器構造の最適化を行うことが必要である。本年度は基本設計理論を構築することを目指して、多層膜構造の光学特性マトリクスを用いた計算アルゴリズムを考案し、外部電界の印加による透過光信号の位相変調信号の算定が可能であることを確認できたことにより、この計算方法が最適化探索に活用できることが分かった。

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research, Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Fund Type: -, Overall Grant Amount: - (direct: 3400000, indirect: 1020000)
本年度は量子ドット（QD）超格子を有する光導電アンテナ（PCA）デバイスの光・電気静特性評価に重点をおいて研究を進めた。検討用試料は、半絶縁性GaAs基板上に成長したInAs/GaAs QD層(20層)積層構造で、メサ構造PCA素子（電極間ギャップ6 μm）を作製し、計測用マウントに実装して使用した。
量子ドット準位励起光照射下における光電流特性を測定した結果、弱励起ではQD基底準位、励起準位による光電流ピークが現れ、光電流は励起光強度に対して線形に増大するが、強励起ではサブリニアな依存性を示した。レート方程式による光電流の励起光強度依存性の解析を行った結果、弱励起ではQD準位のキャリアの熱脱出による光電流生成が支配的であるが、強励起ではGaAs バンドギャップ中の準位にトラップされたキャリアの光励起が強く影響することが明らかになった。この結果は、光通信波長帯の光励起下での動作に対応できる可能性を示唆するものである。
一方、光電流の半導体材料特性との関係を調べるために、光誘起電流のマッピング計測を行った。PCAと同一の結晶構造を用いて電極ギャップ長が大きい（100 μm以上）素子を製作し、独自に構築した顕微光学系を用いて、この素子の電極間表面にレーザービーム（径約1 μm、波長532 nm）を掃引照射することで光電流2次元マップを得た。印加電圧依存性から、電極近傍のバンド形状ベンドしており、電極がショットキー接合的になっていることが分かった。また、電極間の光電流プロファイルから、キャリアの拡散長が約3.5 μmであることが分かった。これらの結果は、既に行った超高速光パルスによるキャリア寿命測定の結果と矛盾せず、上述の光電流の励起光強度依存性とあわせてPCA素子構造設計および光励起条件決定に関する有益な知見が得られた。

Offer Organization: Japan Society for the Promotion of Science, System Name: Grants-in-Aid for Scientific Research, Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C), Fund Type: competitive_research_funding, Overall Grant Amount: - (direct: 0, indirect: 0)
I studied a method for extending the emission wavelength of InAs quantum dots (QDs) grown on nitrogen-doped GaAs surfaces by varying GaAs capping temperature. It was found that the QD emission wavelength was determined by the superposition of three factors: a decrease in the as-grown QD size and an increase in the In composition induced by the suppression of Ga incorporation from the underlying layer, and QD shrinkage during GaAs capping. By using the optimized nitridation conditions and capping temperature, the nitrogen-doped sample exhibited a 1.3 μm-emission with the intensity higher than that for undoped sample.