InGaN系量子ディスクにおける再結合過程の解明と制御

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2光子吸収による過程は,光学遷移エネルギーの半分のエネルギーを持った光によって励起を行うものであり,ゼロ次元的な発光中心に対してより強い選択性を持って励起できることが実験的に示されている。われわれは,この効果をInGaN量子ディスク構造へ適用することにより,局在励起子の物性がより詳細に評価可能であると考え実験を行った。まず,単一量子ディスクに関しては,これまで1光子吸収の実験と同様に,2光子吸収においてもシャープなPLピークが観測された。しかも,その発光強度が,励起光強度の2乗あるいは4乗に比例し,それぞれ励起子および励起分子発光に対応していることが確認できた。次いで,この手法をランダムに形成した量子ディスク群に適応した。その結果,励起レーザスポット径内におおよそ100本のコラムが存在しているにもかかわらず,10本程度の発光線しか観察されず,局在励起子の選択励起を強く示唆する結果を得た。このPL強度は,励起光強度に比例しており,上記の単一ナノコラムで見られた依存性とは明らかに異なっており,コラムの集団効果によるものである。さらに,興味深いことには,発光強度の励起密度依存性には,閾値的な振る舞いが見られ,しかも,閾値を超えたときに発光線幅の狭線化が確認された。また,有限差分時間領域法(FDTD)シミュレーションによると,発光が,ある領域に局在する現象が見られ,実験結果とあわせて,2光子吸収によるランダムレージングを示す結果が得られ,Optics Express 19,9262(2011)に報告した。この成果は,2光子励起の励起波長を選択することで,波長可変のランダムレーザ発振が可能であることを示すものであり,量子ディスクの新しい光機能として注目されている。