半導体量子井戸における励起子の振動子強度に関する光学評価

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分子線エピタキシ-装置を用いて、GaAs単結晶基板上へZnCdSe/ZnSe単一量子井戸を作製した。フォトルミネセンスおよびx線回折法によって評価した結果、試料の品質は極めて良いことがわかった。これらの試料の反射スペクトルをフーリエ分光法を用い,4.2Kから室温までの広い温度範囲において測定した。励起子の吸収による反射スペクトルの変化量は励起子の吸収の強さ(たまは、振動子強度)に直接比例するので,反射スペクトルの解析から励起子吸収を評価することができる。反射スペクトルの解析は,複数素の誘電率を用いる行列計算法で行なった。量子井戸層の励起子吸収はローレンツ型と仮定した。本研究は特に励起子吸収の井戸幅、組織、および温度依存性を注目して、研究を進めた。殆どすべての単一量子井戸より、低温領域で温度の低下に伴う励起子の吸収の減少が観測された。この減少はII-VI族などの励起子-フォノン相互作用の強い半導体バルクにおいて観測されたが、量子井戸などの2次元系について殆ど報告されていなかった。更に、この現象の井戸幅や組成に対する依存性を総合的に測定し、井戸幅が大きくなるにつれ低温での減少が顕著であることがわかった。また、井戸幅のCdの組成が大きいほど、この減少の井戸幅依存性が大きくなることがわかった。これらの結果は励起子-フォノン相互作用を考慮した励起子-ポラリトンの吸収モデルでよく説明できた。低温で量子井戸における励起子の吸収の減少は、これまでにIII-V族の試料より偶然に見られた報告があった。しかし、II-VI族の量子井戸の場合、励起子-フォノン相互作用が強いのでこの現像が常に観測された。2次元系においても光の吸収が励起子-ポラリトンモデルによって支配されることについて理論的な検討が行われたが、本研究はこれを実証した。