単一および少数量子ドット構造の電気・光応答と素子応用の研究

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少数InAs量子ドット(QDs)の光学特性を調べるため、顕微フォトルミネッセンス(μ-PL)システムを構築した。光学系は基本的に、対物レンズ、検出ユニット、電荷結合素子(CCD)カメラ、高分解能分光器、InGaAs光電子増倍管(PMT)、そしてタングステンランプからなる。試料は、xyステージに取り付けられた連続Heフロー型のクライオスタット中のコールドフィンガーに固定する。このクライオスタットは、半径25mmおよび10mm厚さ1.5mmのガラスの窓を通して2方向から光をあてることができるようになっており、3.5Kまで冷却することができる。励起源はHe-Neレーザ(λ=632.8nm)もしくは波長可変のTi : Sapphireレーザ(850-1000nm)である。レーザ光線はビームスプリッターを通した後、対物レンズを用いて試料上に焦点を結ぶ。入射角は0度である。励起源としてHe-Neレーザを用いたときのビームスポットは半径1.50μm程度であり、これは用いている対物レンズの回折限界である0.77μmの約2倍である。試料からのPLシグナルは同じ対物レンズで集光し、PLイメージングを行うときはCCDカメラに、PLスペクトル測定のときは分光器の入り口スリット上に焦点を結ばせる。試料上でのレーザ光線の形、大きさおよび位置は試料からの反射イメージをCCDカメラで観察しながら調整する。導波構造中のInAs QDsに対してのテスト測定を10K、ビームスポット12μmで行い、良い結果を得た。この試料は分子線エピタキシーによりGaAs(001)面上に成長させたものである。構造は基板がわから順番に、GaAs緩衝層(300nm)、Al_<0.3>Ga_<0.7>As(500nm)、GaAs(200nm)、Al_<0.3>Ga_<0.7>As(500nm)となっており、GaAs層の中心にInAs QDSが埋め込まれている。QDsの密度は2.5×10^<10>cm^<-2>であり、その発光は20Kで、1.37eVに半値幅67meVのピークのとして観測された。さらに、リブ構造の光学導波路強度変調器を測定するために、新しくコールドフィンガーとクライオスタットの窓部分をデザインした。この測定に使用する対物レンズの焦点距離が10mmと17mmあるため、この改造が必要となる。さらに、今回デザインしたコールドフィンガーでは以前にのものにくらべ、試料に電場を印加することが容易になっている。