高品質T型量子細線電流注入レーザーの開発及び一次元レーザー物理の解明

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劈開再成長法と成長中断アニール法を用いた分子線エピタキシー成長により均一性の高いT型量子細線レーザー試料を作製した。T型量子細線は直交する2つの量子井戸(ステム井戸およびアーム井戸)の交線部分に形成されるが、電流注入動作を実現するためそれぞれにp型およびn型の変調ドープを行い、電流注入レーザーとした。また光励起レーザーとして、非ドープおよびn型変調ドープ単一量子細線レーザーも作製した。これらの試料の導波路から放出されるASEを計測し、そのスペクトルに現れる振動をCassidy法によって解析し利得スペクトルを得た。電流注入及び光励起によってキャリア注入・生成を行った際の利得スペクトルを系統的に分析・比較することで、キャリア注入過程と細線内に形成される非中性電子・正孔系の分布の様子を明らかにすることができた。さらに実験で得られた光学利得スペクトルを理解するために静的遮蔽されたクーロン相互作用を取り入れた半導体ブロッホ方程式による計算と比較するなどして、一次元非中性電子・正孔系の光学利得の特徴を調べた。特に、クーロン相互作用による利得スペクトルの抑制と増強(クーロン増強因子)を評価し、一次元系の光学利得へのクーロン相互作用の影響を調べた。その結果、中性・非中性に関わらず一次元電子・正孔系においては、バンド端では利得の抑制が、少数及び多数キャリアのフェルミ波数における遷移エネルギーでは利得・吸収の増強が起こること、その増強が低温で特に顕著であることを見出した。さらに電子正孔間の引力相互作用を静的遮蔽されたものから接触型に変更して計算を行ったところ、クーロン増強因子の概形を再現することが出来たことから、クーロン増強因子は、状態密度の形状と電子正孔間クーロン相互作用の短距離部分の強さでおよそ理解することができ、バンド端での利得の抑制は一次元系特有の現象であることを明らかにした。