単一のナノメートル半導体細線の強い光吸収を観測

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1 単一のナノメートル半導体細線の強い光吸収を観測
2005/6/13 単一のナノメートル半導体細線の強い光吸収を観測 （発表雑誌：Applied Physics Letters誌 ２００５年６月２０日号） 東京大学・物性研究所 秋山英文,　吉田正裕,　高橋和 共同研究 米国ルーセントテクノロジー社・ベル研究所 L. ファイファー博士 独立行政法人・科学技術振興機構

2 単一のナノメートル半導体細線の 強い光吸収を観測
概要 断面寸法が１４nm×６nmの極細で高品質のGaAs半導体細線（量子細線）を作製し、そのたった1本の半導体細線の光吸収を測定することに成功した。 その結果、直感的な予想に反して、ナノメートル半導体細線がとても強い光吸収を示すこと、従って応用上も非常に有利であること等が明らかになった。

3 ナノサイエンス研究のマイルストーン： 一本のナノメートル半導体細線 の光吸収をはかりたい・・・
nm（ナノメートル）： 1,000,000,000分の1メートル （しかし、試料が小さくて通常の方法では測定できない）

4 一本のナノメートル半導体細線の光吸収測定
アイディア： 長さ　~mm ~mm　光導波路 ~nm　半導体細線 レーザー光 注） ~ ：“大体”という意味

5 単一量子細線（寸法14nmx6nmｘ0.5mm）の 光透過スペクトルを 世界で初めて測定 吸収のピークでは 入れた光の９８％が
透過率 吸収のピークでは 入れた光の９８％が 単一細線によって 吸収されている！ （吸収が強い！） 吸収係数

6 14nmx6nm寸法のT型量子細線 “量子細線” cf. 楽器 数ナノメートル程度の断面寸法をもち、 アーム
量子力学にもとづく効果により、電子が一つの向きにしか動けなくなっている細線のこと。同じ材質でも大きさや形によって性質が変化する。 アーム 井戸 ステム井戸 T-shaped QWR, or T-wire, that I talk today, has a crosssectional structure shown here. A QWR is formed at a T-intersection of two QWs, a stem QW and an arm QW with thickness of 14nm and 6nm. Since quantum confinement is weaker on a low barrier than on a high barriers, 1-D state is formed quantum mechanically at the intersection. In fact the red and blue contour curves show electron and hole wavefunctions in a T-wire exciton. cf. 楽器 同じ材質の楽器でも大きさや形によって音の高低や音色が変化する。

7 単一量子細線を用いた世界一細い 半導体レーザーの構造
2001作製開始 発表 単一量子細線を用いた世界一細い 半導体レーザーの構造 0.5mmx0.1mm の光導波路 （光の通り路） 長さ　０．５ｍｍ ％の数字は Alの組成を 表す アーム井戸 In this work, we used the single quantum wire laser. This is the schematic view. 14nmx6nmの T型量子細線 　（電子が貯まる所） ステム井戸

8 分子線エピタキシー（MBE）法とへき開再成長法
によるＴ型細線構造の作製 ファイファー博士ら による　(1990年) GaAs 基板 T-wires are formed by cleaved-edge overgrowth method with MBE developed by Loren Pfeiffer in Bell Labs. We first make a stem quantum well by conventional MBE growth on a (001) substrate at 600C.The wafer is once taken out from the MBE machine, thinned, cut into pieces, partly scribed, and then reloaded into the machine. After setting growth condition, we cleave the sample, and grow an arm well right away. There are two major difficulties. The first is in-situ cleavage at growth temperature. The second difficulty is the arm well growth. If you cleave you always have (110) surface, and the MBE growth on (110) surface is difficult. You need low temperature of about 500C, and high As pressure for (110) MBE. 第一MBE 成長 へき開 再成長 （第二 MBE 成長） 600oC (500oC) 500oC

9 へき開再成長後のT型 量子細線試料を８つに切断 第一MBE成長後の基板 へき開再成長（第二MBE成長） の前（左）と後（右） 切断後のT型量子細線試料

10 単一量子細線レーザー構造の断面 の原子間力顕微鏡像

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12 単一量子細線（寸法14nmx6nmｘ0.5mm）の 光透過スペクトルを 世界で初めて測定 吸収のピークでは 入れた光の９８％が
透過率 吸収のピークでは 入れた光の９８％が 単一細線によって 吸収されている！ （吸収が強い！） 吸収係数

13 本成果の意義 1次元半導体構造の物理の基礎 ナノサイエンスにおけるマイルストーン
量子細線は、レーザーや光変調器などに応用したときに消費電力を下げるなど、性能向上に繋がる物理的な効果が予測されている。一方で、「体積が小さ過ぎ、光吸収や利得が小さく、デバイス性能が悪化するのではないか」という懸念もあった。本結果は、そのような懸念を科学的に否定し、デバイス性能を定量的に予測するためのデータを提供する点で、応用上の意義がある。

14 謝辞：　 この研究は、 国立大学法人・東京大学・物性研究所・運営費交付金 独立行政法人・科学技術振興機構・戦略的創造研究推進事業・プロジェクト研究費 文部科学省・科学研究費補助金 の研究費により行われました。 本日のスライド及び関連ファイルは、 　　 に置いてあります。（１０MBと大きいのでご注意ください。)

15 補足説明資料

16 T型量子細線 成長中断アニール法による界面の平坦化 490oCで成長 600oCでアニール アーム 井戸 原子レベルで 平坦な表面 の形成
(吉田らによる、2001年) 490oCで成長 600oCでアニール T型量子細線 アーム 井戸 6nm 原子レベルで 平坦な表面 の形成 ステム 井戸 14nm

17 発光スペクトルで見る細線の高い一様性 細線 長さ0.5mm 幅14nm 厚み6nm 厚み揺らぎ 0.2nm T細線 ステム井戸 T細線
T=5K 細線 長さ0.5mm 幅14nm 厚み6nm 厚み揺らぎ 0.2nm We characterized our sample by scanning micro-PL spectra for 1 micro m spot along the quantum wire. These were measured by 10 micro m steps for 500 micro m region. And for this 25 micro m region we made scan by finer 0.5 micro m steps. The high energy peaks are from stem well and the low energy peaks are from a quantum wire. (Arm well peak was not observed at this low pumping level.) These tiny low energy peaks of wire are attributed to localized excitons caused by monolayer fluctuation of the arm well thickness. In this region, there is no tiny peak of localized excitons, and this shows that the region without monolayer fluctuation extends over 20 micro m. This results prove the high quality of this quantum wire.

18 単一量子細線によるレーザー発振の観測、温度５K
(早水らによる、 2002年)

19 Good Poor Bad へき開の 成功（上）と 失敗（中、下）

20 分子線エピタキシー （MBE）法による GaAsの結晶成長 GaAs基板 As Ga

21 単一量子細線レーザー構造の断面 の原子間力顕微鏡像

22 市販されている半導体レーザーの例