GaAs量子井戸を用いた電子密度と電場の独立操作

 

山口真澄
量子電子物性研究部

 電子密度と電界の独立な操作はゲートによって半導体量子ドット列による人工結晶を作るための重要なポイントである。半導体ヘテロ接合界面に形成される2次元電子系の電子密度はデバイスの表面もしくは裏面に設けたゲート電圧によって変化するが[1]、2次元電子系は閉じ込め方向に有限の広がりを持つために電子は電界を感じることになる。電気伝導特性などでは電子密度の変化による寄与のみが大きいが、フォトルミネッセンス(PL)などの光学特性では電子密度とともにこの電界の効果が大きく寄与する。半導体量子井戸で表面と裏面の2つのゲートを用いれば、電子密度と電界をほぼ独立に制御することが期待される。
 本研究では、挿入図に示すようなドナー層のないGaAs量子井戸の中心付近にアクセプタ(Be)をδドープした試料に表面と裏面のゲートを用いてその電子密度と電界を操作し、PLの発光エネルギーの変化を測定した [2]。図中の○は表面ゲートを変えたときの発光エネルギーの変化である。図の右側には表面と裏面のゲート電圧を変化させたときの量子井戸のポテンシャル形状と電子密度をシミュレーションした結果を示している。(A)表面と裏面のゲート電圧を大きく正に印加すると、量子井戸の両側に電子が誘起されて量子井戸中の電界は遮蔽される。このときは、ゲート電圧を多少変化させても発光エネルギーの変化が小さい。(B)表面のゲート電圧を表面側の電子がなくなるまで小さくすると発光エネルギーは表面ゲート電圧に敏感に依存するようになる。(C)更に表面ゲートを小さくすると量子井戸から2次元電子系はなくなる。図中の実線はシミュレーションによって求めた発光エネルギーの変化量であり、実験結果と良い一致を見ている。また、(B)領域では電子密度を一定にして電界を独立に変化させることにも成功した。

[1] M. Yamaguchi, et al., Suf. Sci. 583 (2005) 94.
[2] M. Yamaguchi, et al., J. Appl. Phys. (to be published).

図1 発光エネルギーの測定結果とシミュレーションとの比較

 


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