MOCVD法によるIII族窒化物半導体ナノ構造形成と単一光子発生器の実現

窒化ガリウム(GaN)で代表されるIII族窒化物半導体は、青紫色や深紫外域の発光デバイスのみならず高温動作が可能な単一光子発生源用材料としても注目されている。本研究では、高品質な結晶成長が可能である、位置制御した窒化物半導体ナノワイヤとその内部に挿入されるGaN量子ドットの結晶成長技術の開発に取り組んできた。これまで、AlGaNを障壁層とする高品質ナノワイヤ内GaN量子ドットから、52meVに及ぶ巨大な束縛エネルギーをもつ励起子分子からの発光を観測している。今年度に得られた結果は大きく3つが挙げられる。ナノワイヤ内GaN量子ドットのMOCVD選択成長では(1)量子ドットの形成における各種成長条件の依存性を詳細に調べた。たとえば量子ドットの成長後、適切な成長中断条件を設けることによって単一のGaN量子ドットがナノワイヤ中に形成できることなどがわかった。これらはMOCVD選択成長法を用いた単一GaNナノワイヤ量子ドットの形成に非常に重要な技術であると考えられる。また、単一ナノワイヤ量子ドットを用いたフォトルミネッセンス(PL)の温度依存性を調べることにより(2)室温における発光を観測した。PL積分強度のアレニウスプロットで見積もられた活性化エネルギーは約350血eVと非常に大きく、ドットの第一準位とAIGaN障壁層のエネルギー差に相当するものであると考えられる。これは位置制御ナノワイヤ内GaN量子ドットドット中にキャリアが強く閉じ込められていることを示唆する結果である。単一量子ドットからの室温PL発光は、III-V族半導体量子ドットを用いたこれまでの報告でも数少なく、今後高温動作が可能な量子ドットベースの光源(たとえば単一光子源など)への応用が期待できる。さらに光子相関法による単一光子発生検証実験を行った。単一光子の特徴である、時間延長0での強度相関関数の低下(光子のアンチバンチング)が確認された。しかし単一光子源を証明する明瞭な値ではなかったため、今後その原因究明とそれらを意識した構造のさらなる最適化が必要である。

窒化ガリウム(GaN)で代表されるIII族窒化物半導体は、青紫色や深紫外域の発光デバイスのみならず高温動作が可能な単一光子発生源用材料としても注目されている。本研究では、高品質な結晶成長が可能である、位置制御した窒化物半導体ナノワイヤとその内部に挿入されるGaN量子ドットの結晶成長技術の開発に取り組んできた。これまで、AlGaNを障壁層とする高品質ナノワイヤ内GaN量子ドットから、52meVに及ぶ巨大な束縛エネルギーをもつ励起子分子からの発光を観測している。今年度に得られた結果は大きく3つが挙げられる。ナノワイヤ内GaN量子ドットのMOCVD選択成長では(1)量子ドットの形成における各種成長条件の依存性を詳細に調べた。たとえば量子ドットの成長後、適切な成長中断条件を設けることによって単一のGaN量子ドットがナノワイヤ中に形成できることなどがわかった。これらはMOCVD選択成長法を用いた単一GaNナノワイヤ量子ドットの形成に非常に重要な技術であると考えられる。また、単一ナノワイヤ量子ドットを用いたフォトルミネッセンス(PL)の温度依存性を調べることにより(2)室温における発光を観測した。PL積分強度のアレニウスプロットで見積もられた活性化エネルギーは約350血eVと非常に大きく、ドットの第一準位とAIGaN障壁層のエネルギー差に相当するものであると考えられる。これは位置制御ナノワイヤ内GaN量子ドットドット中にキャリアが強く閉じ込められていることを示唆する結果である。単一量子ドットからの室温PL発光は、III-V族半導体量子ドットを用いたこれまでの報告でも数少なく、今後高温動作が可能な量子ドットベースの光源(たとえば単一光子源など)への応用が期待できる。さらに光子相関法による単一光子発生検証実験を行った。単一光子の特徴である、時間延長0での強度相関関数の低下(光子のアンチバンチング)が確認された。しかし単一光子源を証明する明瞭な値ではなかったため、今後その原因究明とそれらを意識した構造のさらなる最適化が必要である。