コヒーレントフォノンを用いた量子ドット励起子の発光制御

後藤秀樹　眞田治樹　山口浩司^＊　寒川哲臣
量子光物性研究部　^＊量子電子物性研究部

　半導体ナノ構造である量子ドットは、レーザをはじめとする従来デバイスの性能向上とともに、次世代の量子情報処理デバイスの実現に貢献することが期待されている。量子ドットでは、電子と正孔が結合した励起子と言われる粒子が通常の半導体より安定に存在する。この励起子は、量子状態の効率的な保持が可能なため、量子情報の基本ゲートとして動作する可能性がある。ゲート動作には、励起子状態を制御・操作が必要であるがその手段として、光、電場、磁場が利用されてきた。本研究では、量子ドット近傍の金属薄膜に光を照射することで発生させたコヒーレントなフォノンもその手段となりうることを明らかにした[1]。
　量子ドットは、GaAsがAlGaAsで囲まれた構造で、GaAs(001)基板上に作製した量子井戸構造において、GaAs量子井戸(4.2 nm)とAlGaAs障壁層界面に形成される。実験では、パルスレーザ（時間幅150 fsec, 繰返し80 MHz, 波長750 nm）を励起光とした顕微フォトルミネッセンス(PL)法を用いて、単一ドットからのPLを測定した。励起光は2つに分岐し、1つは量子ドットでの励起子生成に用い(Laser PL)、もう1つ(Laser Metal)は試料表面のTi薄膜（膜厚100 nm）の照射に用いた（図1）。図2は得られたPLスペクトルで、量子ドットにレーザを照射し、金属薄膜を照射するレーザパワー(Laser Metal)を変化させた結果である。量子ドットのみにレーザを照射した場合(0 mW)は、A-Dの領域でスペクトルが見られるが、金属にレーザを照射すると、E-Gが支配的になる。スペクトル変化は、パワー増加に対して不連続的であることから、レーザ照射によってもとの励起子状態とは異なる状態から発光することが示唆される。また、光干渉計を用いた実験も行い、金属薄膜に光を照射すると、フォノン発生に伴う光干渉信号も得られた。以上から、金属薄膜にレーザを照射すると、コヒーレントなフォノンが発生して量子ドットの励起子状態と相互作用し、新しい状態を発生させたと解釈できる。このフォノンは照射するパルスレーザで制御可能であり、量子ドット中の励起子操作の手段となることがわかった。


図1 　GaAs量子ドット(QD)と試料付近の実験配置。	図2 　QDの発光スペクトルのLaser Metal強度依存性。