(Al,Ga)Asナノワイヤ中に形成されたGaAs量子ドットの光学特性

 

眞田治樹 後藤秀樹 舘野功太 寒川哲臣 中野秀俊
量子光物性研究部

 半導体ナノワイヤ構造はナノスケールのフォトニクス・エレクトロニクスデバイスへの応用上、魅力的な構造として注目されている。VLS (Vapor-Liquid-Solid) 法はナノワイヤを形成する手法の一つであり、幅広い半導体材料に対して用いることができる。最近では、 VLS法を用いると、単純な一次元構造の作製だけでなく、従来のヘテロ構造技術を導入することによりバンド構造エンジニアリングの面でも柔軟性を発揮することが分かってきている。今回我々は、 VLS法と通常のMOVPE法を組み合わせた手法によりGaAs/(Al,Ga)Asヘテロ構造を含むナノワイヤを作製し、量子ドット特有の励起子・励起子分子発光の観測に成功した[1]。
 試料は、始めにVLS法によるナノワイヤの成長中にGaAs/(Al,Ga)Asヘテロ接合を導入し、その後、表面再結合の影響を抑制するために、通常のMOVPE法により (Al,Ga)Asキャップ層でナノワイヤ全体を覆った[2]。図1はGaAs/(Al,Ga)As系の代わりにGaAs/AlAs系を用いた同様の構造の断面SEM像を示す。ナノワイヤの中に複数の量子ドット状の構造が形成されている様子が分かる。
 図2は、フォトルミネッセンス(PL)スペクトルの励起光強度(Pexc)依存性を示す。Pexc < 100 W/cm2の領域において、A, Bで示されるピークの積分強度がそれぞれPexcおよびPexc 2に対して線形的に増加することから、励起子、励起子分子の発光を示しているものと考えられる。さらにPexcの増加に伴う励起子分子発光(ピークB)のレッドシフトや線幅増大については、VLS法で作製したInAs/GaAs系やGa(As,P)/GaP系の量子ドットの報告と類似しており、同手法による量子ドットに特有の性質であると考えられる。その他にもPLの強い偏光依存性も観測しており、形成されたナノ構造が大きな非対称性を有していることが予想される。これらのメカニズムを解明するためには、今後量子ドットの形状に関するさらなる考察が必要であるが、今回用いた方法が、GaAs/(Al,Ga)As系のナノ構造の位置や光学特性を制御する有用な方法であることが明らかになった。

[1] H. Sanada, H. Gotoh, K. Tateno, and H. Nakano, Jpn. J. Appl. Phys. 46 (2007) 2578.
[2] K. Tateno, H. Gotoh, and Y. Watanabe, Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 1808.

 
図1 GaAs/AlAs系を用いたナノワイヤ中の量子ドット構造の断面SEM像
  
図2 温度4 KにおけるPLスペクトルの励起光強度依存性
 

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