JP2890030B2 - 量子ビート素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は将来のフェムト秒領
域で動作が可能なテラヘルツ（ＴＨｚ）電磁波発生素子
や光−光スイッチ等の超高速光・電子素子を目指した結
合量子細線構造を有する量子ビート素子に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】レーザ技術の進展に伴い、超高速化の極
限として数フェムト秒の極短光パルスの発生が可能にな
っている。一方、半導体光・電子デバイス技術では、ピ
コ秒領域の信号を扱うのがようやく可能になったばかり
であり、フェムト秒の時間域は現在のデバイス技術では
未踏の領域である。

【０００３】半導体光デバイスの超高速化の研究の流れ
について見ると、研究が活発に行われている電界制御型
の光変調器、光スイッチにおいては、ＣＲ制限によって
動作上限が決まり、１００ＧＨｚ程度が動作速度上限に
なっている。一方、光制御型の素子では、ＣＲ制限の問
題は回避できるが、実励起キャリアを用いる場合には励
起キャリアが緩和するまでの時間（緩和時間）によって
動作速度が制限されるという問題がある。この問題を解
決するために、非発光再結合を用いてキャリア寿命時間
を減らす方法、高速な緩和現象を用いる方法等が検討さ
れている。しかし、緩和現象を用いる場合、サブピコ秒
以上の高速化は難しく、フェムト秒領域で動作する光・
電子融合素子を実現する為には、緩和時間制限のない新
しい原理で動作するデバイスが必要になってくると考え
られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】半導体中のコヒーレン
ト現象の一つである量子ビートは、２つの励起準位を励
起した際に生じる分極のビートで、２つの励起準位の波
動関数が異なる空間分布を持つ際には波束の空間的な振
動が伴う。量子ビートの振動周期は２準位間のエネルギ
ー差によって決まり、これを増加することによってフェ
ムト秒領域の超高速動作が期待される。たとえば３００
ｍｅＶ程度のエネルギー差では１０ｆｓ台の超高速振動
が得られる。実際に、半導体量子構造中での量子ビート
（電子波束の空間振動）に伴うテラヘルツ電磁波の放射
が観測されている［１］。しかし、これまでに報告され
ている半導体量子薄膜（２次元半導体体）での量子ビー
トは、多準位系であることから電子波のコヒーレンシー
が悪く、低温動作やビートの接続時間が短い等の問題が
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明による量子ビート
素子は、基板上に、それぞれバンドギャップの大きい材
料からなる障壁層およびバンドギャップの小さい材料か
らなる２個の量子細線または量子箱が、互に近接して形
成されて量子力学的に結合し、前記２個の量子細線また
は量子箱がそれぞれ２つ以上の結合した準位を持つ結合
量子細線構造または結合量子箱を有することを特徴とす
る。

【０００６】

【発明の実施の形態】コヒーレント現象をデバイスに応
用する為には、位相緩和時間の増加と、励起準位数の減
少が本質的に重要であり、この為には量子細線、量子箱
等の低次元構造が非常に有望である［２］［３］。我々
は、電子波のコヒーレンシを向上するために、図１に示
す結合低次元構造（結合量子細線・結合量子箱構造）を
用いる量子ビート素子を提案している。この素子は、フ
ェムト秒極短光パルスによって、位相も含めて電子波束
の空間振動を制御することにより、テラヘルツ電磁波発
生素子や超高速光−光スイッチ等のフェムト秒領域で動
作が可能な光・電子融合素子への応用が期待される。

【０００７】

【実施例】結合量子細線の作製 量子細線の作製法としては、量子薄膜構造をＥＢリゾグ
ラフィとエッチングによって加工する方法、凹凸基板上
に選択的に成長する方法、自己形成法を用いる方法等が
考えられる。

【０００８】結合量子細線構造を作製する上では、１次
元系の特徴が現れるような極微細で、かつ結合の強い構
造が作製可能な方法が望ましい。選択成長を用いる方法
は［４］、層厚を原子層オーダーまで制御することが可
能で、また、層厚方向に量子細線を配置することで非常
に結合の強い構造が作製可能である。

【０００９】これまで報告されているＭＯＣＶＤ法やＭ
ＢＥ法を用いるＶ溝上への量子細線の作製法では、量子
細線の横方向の幅が３０ｎｍ〜５０ｎｍ程度と大きく、
１次元系の特徴が完全に現れるような量子細線構造は作
製されていない。これに対して、流量変調ＭＯＣＶＤ法
は成長材料を交互供給することによってＶ溝底部へ量子
細線の選択成長比を向上することができ、この方法を用
いることによって、幅３０ｎｍ以下の極微細な量子細線
が作製可能になった。［５］図２には、流量変調ＭＯＣ
ＶＤ法によって作成した結合量子細線構造の模式図を示
す。まず、ＧａＡｓ基板１上に（１００）方向にＶ溝２
を形成し、その上にＧａＡｓバッファ層３、ＡｌＧａＡ
ｓバッファ層４、ＧａＡｓ量子細線５、ＡｌＧａＡｓ障
壁層６、ＧａＡｓ量子細線７、ＡｌＧａＡｓ保護層８を
成長して結合量子細線構造を作製した。極微細な量子細
線構造を得るためにＧａＡｓ量子細線の成長のときだけ
流量変調ＭＯＣＶＤ法を用い、他の層は通常のＭＯＣＶ
Ｄを用いて成長を行った。次に、量子細線からの発光を
得るために、Ｖメサ上部の（１００）量子井戸層とその
周辺の（１１１）Ｖメサ側壁上の量子井戸層をリゾグラ
フィとエッチング技術によって除去した。このときの断
面ＴＥＭ写真の一例を図３（ａ）に、その説明図を図３
（ｂ）に示す。Ｖ溝底部に、厚さ５ｎｍ、幅３０ｎｍ
（実効幅１５ｎｍ）の極微細な２層の量子細線と厚さ２
ｎｍのＡｌＧａＡｓ障壁層から構成される結合構造が形
成されているのが示されている。また、流量変調法を用
いて量子細線と量子薄膜の選択成長比を向上した為、
（１１１）Ｖメサ側壁上の量子薄膜層厚は１ｎｍ程度に
抑えられている。

【００１０】結合量子細線の発光特性と結合効果 図４には、２つの独立した量子細線のエネルギー準位と
その間の障壁層を薄くして結合したときの結合量子細線
のエネルギー準位の概念図を示す。２つのエネルギー準
位が同じ対称な結合構造では、各準位は結合後に、対称
と反対称の波動関数を持つエネルギー準位に分裂する。
この分裂したエネルギー差（分裂エネルギー）は、障壁
層厚を薄くし、結合を強くすることにより拡大される。
また、結合量子井戸の理論解析から明らかなように、２
つのエネルギー準位が異なる非対称な結合構造でも、結
合分裂エネルギーが２つの量子細線のエネルギー差より
も大きい場合には、低エネルギー準位と高エネルギー準
位のエネルギー差は結合によって拡大する。ここでは、
結合によって分裂した低エネルギー側の準位を結合基底
準位、高エネルギー側の準位を結合高次準位と呼ぶこと
にする。一方、ホールの準位について見ると、作製した
量子細線構造の断面の幅と厚さの比率は３倍以上あるの
で、疑似的に量子井戸のヘビーホールとライトホールに
近いと考えられる。これを、疑ヘビーホール、疑ライト
ホール準位と呼ぶことにする。以上より、この結合量子
細線で許容される光学遷移は、基底結合準位について電
子−疑ヘビーホール間遷移（Ｅｃｈｈ１），電子−疑ラ
イトホール間遷移（Ｅｃｌｈ１），高次結合準位につい
ても同様に電子−疑ヘビーホール間遷移（Ｅｃｈｈ
２），電子−疑ライトホール間遷移（Ｅｃｌｈ２）が許
容され、合計で４つの遷移が可能となる［６］。

【００１１】図５には、作製した層厚５ｎｍ、障壁層厚
３ｎｍの結合量子細線と比較の為に、層厚のほぼ同じ単
一量子細線のフォトルミネッセンス（ＰＬ）発光スペク
トルの温度特性を示す。また、各図の一番下には、低温
強励起時のＰＬ発光スペクトルを示してある。

【００１２】低温弱励起では両方とも単一ピークである
のに対して、室温弱励起または、低温強励起時には、結
合量子細線の場合は大きなサブピークが見られる。一
方、単一量子細線の場合、大きなサブピークは見られな
い。これは、結合によって分裂した結合準位（Ｅｃｈｈ
１，Ｅｃｌｈ１）によるものであると考えられる。

【００１３】図６には、障壁層厚の異なる３種類の結合
量子細線のＰＬ発光特性を示した。基板面上（１００）
方向から、量子細線に平行と垂直の偏波に分けて測定を
行った。基板面上から、量子薄膜の場合には、偏波依存
性のない発光特性が得られるのに対して、作製した素子
からは量子細線固有の偏波依存のある発光特性が得られ
た。偏波の情報から、主ピークとサブピークは疑ヘビー
ホールに関する遷移Ｅｃｈｈ１，Ｅｃｈｈ２によるもの
であると考えられる。このエネルギーの差（ΔＥ＝Ｅｃ
ｈｈ２−Ｅｃｈｈ１）が結合による分裂エネルギーであ
り、図から、障壁層厚を薄くし、結合を強くするにつれ
て、分裂エネルギーが拡大されるのが見られた。これ
は、量子細線の結合の効果として初めて観測されたもの
である。

【００１４】注目すべき点は、結合量子細線の主ピーク
と副ピークの分裂の様子が、これまで報告された結合量
子薄膜に比べて明瞭に見られることである。さらに、各
ピークを分離した際に、主ピークの半値全幅は室温付近
で〜１９ｍｅＶと量子薄膜（ＦＷＨＭ〜２５ｍｅＶ）に
比べて十分に狭い。これらは、結合１次元系を特徴づけ
るものであり、室温の特性から明瞭に見られたのはこれ
が初めてである。

【００１５】

【発明の効果】以上説明したように、Ｖ溝上へのＭＯＣ
ＶＤ選択成長法を用いて極微細（厚さ５ｎｍ、等価幅１
５ｎｍ）な結合量子細線構造の作製を行った。作製した
結合量子細線からは、初めて明瞭な結合効果と１次元系
の特徴を観察した。

【００１６】今回作製した結合量子細線構造は、量子細
線中でのコヒーレントな電子をフェムト秒光を用いて制
御することにより、コヒーレント量子振動（量子ビー
ト）を発生させることができる。この量子振動に伴う光
非線形性を利用することにより、テラヘルツ電磁波発生
素子や超高速光−光スイッチ等のフェムト秒領域で動作
が可能な超高速光・電子融合素子への応用が期待され
る。

【００１７】参考文献 ［１］Ｈ．Ｇ．Ｒｏｓｋｏｓ，Ｍ．Ｃ．Ｎｕｓｓ，Ｊ．
Ｓｈａｈ，Ｋ．Ｌｅｏ，Ｄ．Ａ．Ｂ．Ｍｉｌｌｅｒ，
Ａ．Ｍ．Ｆｏｘ，Ｓ．Ｓ．Ｒｉｎｋ，ａｎｄ Ｋ．Ｋｏ
ｈｌｅｒ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，６８，２２
１６（１９９２） ［２］Ｙ．Ａｒａｋａｗａ ａｎｄ Ｈ．Ｓａｋａｋ
ｉ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，４０，９３９
（１９８２） ［３］Ｍ．Ａｓａｄａ，Ｙ．Ｍｉｙａｍｏｔｏ，ａｎｄ
Ｙ．Ｓｕｅｍａｔｓｕ，Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈ
ｙｓ ２４，Ｌ９５（１９８５） ［４］Ｅ．Ｋａｐｏｎ，Ｄ．Ｍ．Ｈｗａｎｇ，ａｎｄ
Ｒ．Ｂｈａｔ，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．，６３，
４３０（１９８９） ［５］Ｘ．Ｌ．Ｗａｎｇ，Ｍ．Ｏｇｕｒａ，Ａｐｐｌ．
Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．，６６，１５０６（１９９５） ［６］Ｈ．Ｋａｗａｉ，Ｊ．Ｋａｎｅｋｏ，ａｎｄ
Ｎ．Ｗａｔａｎａｂｅ，Ｊ．Ａｐｐｌ，Ｐｈｙｓ．５
８，１２６３（１９８５）

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による量子ビート素子を説明する図であ
る。

【図２】結合量子細線の構造を示す模式図である。

【図３】結合量子細線の断面を示す透過電顕写真（ａ）
とその説明図（ｂ）である。

【図４】結合量子細線の準位分離を説明する図である。

【図５】量子細線と結合量子細線のＰＬ発光特性を示す
図である。

【図６】結合量子細線の発光特性を示す図である。

【符号の説明】

１ ＧａＡｓ基板 ２ Ｖ溝 ３ ＧａＡｓバッファ層 ４ ＡｌＧａＡｓ障壁層 ５ ＧａＡｓ量子細線 ６ ＡｌＧａＡｓ障壁層 ７ ＧａＡｓ量子細線 ８ ＡｌＧａＡｓ保護層

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に、それぞれバンドギャップの大
   きい材料からなる障壁層およびバンドギャップの小さい
   材料からなる２個の量子細線または量子箱が、互に近接
   して形成されて量子力学的に結合し、前記２個の量子細
   線または量子箱がそれぞれ２つ以上の結合した準位を持
   つ結合量子細線構造または結合量子箱構造を有すること
   を特徴とする量子ビート素子。