博 士 （ 情 報 科 学 ） Nahid Akhter Jahan
学 位 論 文 題名
Study on semlCOnduCtorquantumWe11S， dotS， anddaSheS
inteleCOmmunlCationband： ChargeCarrierdynamiCSandlumineSCenCequenChingmeChaniSmS（ 光 通 信 波 長 帯 半 導 体 量 子 井 戸 ・ ド ッ ト ・ ダ ッ シ ュ に お ける 電 荷キ ャ リ アのダ イ ナ ミ ッ ク ス と ル ミ ネ ッ セ ン ス 消 光 機構 に関 す る研 究）

学位論文内容の要旨
近年通信情報量の増大によって、光ファイバー通信ネットワークは世界的に拡大を続けている。特に通信の安全性・信頼性に対するニーズの高まりにより、信頼性の高い単一光子を用いた量子情報通信 の研究 が進め られている。現在のところ、これまで光ファイバー通信に用いられてきたレーザー光源を単一光子レベルまで滅衰させて研究が進められているが、原理的にレーザーのコヒーレンスのために単一光子の発生が不確定とをる。そのため半導体ナノ構造を用いた固体単一光子源により 、確実 に光子 を発生する単一光源の研究が活溌化している。これまで研究が進んでいるGaAs
基板 を用い たIn
As
系 量子ドットを中心として研究が進められてきたが、光フィアパー通信波長帯まで発光域を拡大するのは歪みが過大と謡り、困難であった。
現在光ファイバー通信用光源として広く使われているのはより格子定数の大きいInP
基板系である。 一方InP
基板 上で 作製し た量子 ドット はその 密度 が〜lX
101lc
m―2（32nm
角 の領域に1個）と高くをりがちで、特に動作温度の上昇によって隣り合う量子ドット間の結合が単一量子構造の特性に影響する。また成長する結晶面方位によって（001）結晶面では細長い量子ダッシュとをるが、（311）B結晶面では量子ドットとなり、その特性の違いをど詳しい比較検討はまだ十分には進められて いをい 。さら に発生した光子を半導体面から垂直に取り出すためには、GaAs基板上では屈折率の異をる積層構造を用いた分布反射ミラ−（DBR：dismbutedBraggrenector）が広く使用されている 。しか しInP基板 上では 高い反 射率を 持つDBRが 構成で きをい 課題が ある。 一方 I
nPとともに 長 波長 系 に 使用 される G
asb系は 、GaAs
基 板と大 きを 格子歪 みを持 つため に従来 はGasb系薄膜に 転移顔 どの欠 陥が 生じ特 性を劣 化させ ていた。しかし近年GaSソGaAs
ヘテロ界面に発生する転移を界面だけに閉じ込めるn係（interfacialmis丘tdislocanonarray）法が開発され、透過電子顕微
鏡 観 察を ど 構 造 的 に は大 幅 を 改 善 が示 されて おり 、GaAs系D
BRと 組み合 わせた 面発光 G
asb系
半導 体光源 も期待 される。しかし現在までmm法がどのように光学特性の改善に寄与しているか、まだ詳細春検討は進んでいをい。
本論 文で は、InP基板 上に形 成され た量 子ドット・量子ダッシュ、をらびにG
aAs
基板上に形成した G
asb量子 井戸構 造に対 する へテロ 界面に 挿入し たm伍の効 果につ いて 、時間 分解発光スペ
クトル測定によるナノ構造内部での電荷キャリアのダイナミックス解明を進め、それぞれのナノ構造に対する詳細を理解を深めると共に、ナノ構造での発光が環境温度上昇に伴って消光していく物
理 機 構 を 明 ら か に し て 、 今 後 の ナ ノ 構 造 作 製 の 指 針 を 明 確 に する こ と を 目 的と す る 。
著者はまずInP（311）B基板上に形成した量子ドットでは、通常量子ドットに伴って形成される薄い量子井戸層（WL：weninglりer）が形成されをいことを示した。それと共に、InP基板上に形成した量 子ドッ ト、量 子ダッシュともに、40K以下では電荷キャリアの移動は起きをぃこと、40‐140― 615 ‑Kの温度領域ではナノ構造間で結合した励起状態(
CES:coupltedexcitedstates)を通してよルサイズ の大き いナノ 構造 の基底 状態間 ヘ電荷キャリアの移動が起こり、発光再結合確率の低下により発 光効率 が緩や かに 減少す ること 、140K以上ではよルエネルギー差の大きぃバリア層（量子ドット の場合 ）やWL(量子ダッシュの場合）ヘ電荷キャリアが拡散して逃げてしまぃ、ナノ構造での発光が消光することを明らかにした。特に電荷キャリアの移動に際して、電子と正孔が互いに相関を持つ対として移動(correlatedelectron‑holepairescape)し、その熱活性化エネルギーはエネルギーギ ャップ 差の約 半分 とをる ことを 明らかにした。また量子ダッシュを用い、光通信波長帯である1500nm帯で発 光する 鋭い 単一量 子準位の発光を観測し、将来の光通信用単一光子源の可能性を示した。一方GaAs基 板上 に 作 製 し たInGaS
b量 子 井 戸 では、 GaSbパッ フア層 との間 にm圷層を 挿入することにより、光励起キャリアがバンドを埋めるバンドフィリング効果が増大することを時間分 解発光 スベク トル測定により明らかにした。これにより、IMF層の挿入により量子井戸層での欠陥 生 成 が抑 制 さ れ欠 陥 に りー ク する 電荷キ ャリアが 滅少す ることを 示した 。
以下に本論文の構成を示す。
第 1章 で は 、 序 章 と し て 本 研 究 の 背 景 、 目 的 、 本 論 文 の 構 成 に つ い て 述 べ て い る 。
第 2章 で は 、 本 論 文 に 関 連 し た 理 論 的 を 背 景 と 関 連 し た 物 理 に つ い て 述 べ て い る 。
第3章では、実験に使用した光学評価方法について述べている。
第4章 では、 InP
基 板上 でのInAs量子ドット、量子ダッシュの形成と、そのキャリアダイナミックスの評価、その結果得られたドット間の結合によるキャリアの移動と実効振動子強度の減少、より 高い温 度での キャ リアの バリア 、WLへの拡散による発光消光、それらのレート方程式解析について述べている。また単一量子ダッシュの鋭い発光スベクトルを観測し、単一光子源開発の可能性について述べている。
第5章 では、 InGaSb系 量子井 戸につ いて、 特に光 ファ イバー通信波長帯で発光する量子井戸構造 の 構 造、光 学評価 を行い 、こ れに基 づぃて G
aAs基板 上に成 長した 際に G
aSb/GaAsヘテロ 界面に MFを 挿 入 す る 効 果 に つ い て 、 時 間 分 解 発 光 ス ペ ク ト ル 測 定 に 基 づ ぃ て 述 べて い る 。
第 6章 で は 、 本 研 究 の 成 果 を 総 括 し 、 今 後 の 展 望 に つ い て 述 べ て い る 。
最 後に 、著者はInP
基板上の量子ナノ構造における電荷キャリアの移動を時間分解発光スペクトル測定によって解明するとともに基板結晶面による量子ナノ構造形成過程の違いを明らかにするとと もに、 G
aSb/GaAsヘテ ロ界面 に発生 する転 移を界 面だ けに閉じ込める新手法の有効性を光学特性 か ら 明確 に し 、光 通 信 波長 帯 光子 源への 応用に関 する有 益を知見 を得た 。

− 616―

学 位論文審査の要旨
主査
副査
副査
副査

教授
末教授
本教授
笹准教授 熊宗幾 夫
久順 一
木敬 司
野英 和

学 位 論 文題 名

Study on semlCOnduCtorquantumWe11S， dotS， anddaSheS
inteleCOmmunlCationband： ChargeCarrierdynamiCSandlumineSC
enCequenChingme
ChaniSmS（光通信波長帯半導体量子井戸・ドット・ダッシュにおける電荷キャリアのダ イ ナ ミ ック ス と ル ミ ネッ セ ン ス 消 光機 構 に 関 す る 研究 ）近 年通信情報量の増 大によって、光ファ イバー通信ネット ワークは世界的に拡大を続けている。
特に 通信の安全性・信 頼性に対するニーズ の高まりにより、 信頼性の高い単一光子を用いた量子情報通 信の研究が進めら れている。現在のと ころ、これまで光 ファイバー通信に用いられてきたレーザー 光源を単一光子レ ベルまで滅衰させて 研究が進められて いるが、原理的にレーザーのコヒーレン ス のた めに 単一光子の 発生が不確定とをる 。そのため半導体 ナノ構造を用いた 固体単一光子源によ り、確実に光子を 発生する単一光子源 の研究が活溌化し ている。これまで、研究が進んでいる
GaAs基板 を用 い たInAs系 量 子ド ット を 中心 とし て 研究 されて きたが、光ファイ バー通信波長帯まで 発光域を拡大する のは歪みが過大とを り、困難であった 。
現 在光 ファ イ バー 通信 用 光源 とし て広く使われて いるのはGaAs
基板よ り格子定数の大き ぃInP
基 板 で ある 。 一方 InP基 板上 で 作製 した 量 子ド ット は その 密度 が 〜lx1011cm‐2（ 32nm角の 領域に 1個）と高 くをりがちで、特 に動作温度の上昇 によって隣り合う量 子ドット間の結合 が単一量子構 造の特性に影響す る。また成長する結 晶面方位によって（001）結晶面では細長い量子ダッシュとな るが、（311）B
結 晶面では量子ドット となり、その特性 の違い誼ど詳しい比較検討はまだ十分に は 進め られ ていをぃ。 さらに発生した光子 を半導体面から垂 直に取り出すため に結、GaAs
基板
上 で は屈 折率 の 異を る積 層 構造 を用 いた分布反射ミ ラーpBR：dismbut
edBraggreaector）が広く
使 用 され てい る 。し かし InP
基 板 上で は高 い 反射 率を 持 つDBRが構成でき春い課 題がある。一方
InPとと も に長 波長 帯 に使 用さ れ るGaSb
系 は 、GaAs
基 板 と大 きを 格 子歪 みを 持 っために、従来は GaS
b系 薄膜 に 転移 をど の 欠陥 が生 じ 特性 を劣 化 させ てい た 。し かし 近 年GaSソGaAsヘテロ界面に 発生する転移を界 面だけに閉じ込める瓜伍（interfacimrnismms
10cationarray）法が開発され、
透 過 電子 顕微 鏡 観察 をど で 構造 的に は 大幅 を改 善 が示 され て おり 、GaAs系DBRと組み合わせた面 発 光 GaSb系 半導 体光 源 も期 待さ れ る。 しか し 現在 まで MF法が どの よ うに 光学 特 性の 改善 に寄与 しているか、まだ 詳細を検討は進んで いをい。
本 論文 では 、 I
nP基 板上 に形 成 された量子 ドット・量子ダッ シュ、顔らびにGaA
s基板上に形成したG
aSb量子 井 戸構 造に 対 する へテ ロ 界面 に挿 入 した n伍の 効果 に つい て、 時 間分解発光スベ
クト ル測定によるナノ 構造内部での電荷キ ャリアのダイナミ ックス解明を進め、それぞれのナノ構ー 617−

造に対 する詳細を理解を 深めると共に、ナノ 構造での発光が環 境温度上昇に伴っ て消光していく物
理 機構 を明 ら かに して 、今 後の ナ 丿構 造作 製の 指 針を 明確 にす るこ と を目的 とする。
著者 はまずInP(311)B基 板上に形成した量子 ドットでは、通常 量子ドットに伴っ て形成される薄い量子 井戸層(
WL: wetting layer)が形成され橡いこ とを示した。それと 共に、InP基板上に形成した 量子 ド ット 、量 子 ダッ シュ と もに 、40K以下 で は電荷キャリ アの移動は起きを いこと、40‑140Kの温度領域では ナノ構造間で結合 した励起状態(CES: coupltedexcitedstates)
を通してサイズのよ り大 き ぃナ ノ構 造 の基 底状 態へと電荷キャ リアの移動が起こ り、これに伴う発 光再結合確率の低 下に よ り発 光効 率 が緩 やか に減少すること 、140K以上ではよ ルエネルギー差の 大きいバリア層（量子 ドットの場合）や WL(量子ダ ッシュの場合）ヘ 電荷キャリアが拡散して逃げてしまい、ナ丿構造での 発光が消光するこ とを明らかにした。 特に電荷キャリア の移動に際して、 電子と正孔が互いに相関を持つ対として移動(correlatedelectron‑holepairescape)し、その熱活性化工ネルギーはエネルギ ―ギャップ差の約 半分とをることを明 らかにした。また 量子ダッシュを用 い、光通信波長帯で ある 1500nm帯で 発 光す る鋭 い単一量子準位 の発光を観測し、 将来の光通信用単 一光子源の可能性 を 示 し た 。 一 方 GaAs基 板 上 に 作 製 し た InGaSb
量 子 井戸 では 、 GaSbバッ フ ア層 との 間 にIMF
層を挿 入することにより 、光励起キャリアが バンドを埋めるバ ンドフィリング効 果が増大することを 時間 分解発光ス ペクトル測定によ り明らかにした。 これにより、IMF層の挿入に より量子井戸層で の 欠 陥 生 成 が 抑 制 さ れ 欠 陥 に り ー ク する 電 荷キ ャリ アが 減少 す るこ とを 示し た 。
以下 に本論文の構成を 示す。
第 1章 で は 、 序 章 と し て 本 研 究 の 背 景 、 目 的 、 本 論 文 の 構 成 に つ い て 述 べ て い る 。
第 2章 で は 、 本 論 文 に 関 連 し た 理 論 的 顔 背 景 と 関 連 し た 物 理 に つ い て 述 べ て い る 。
第3章では、実 験に使用した光学 評価方法について 述べている。
第4章 では、IriP
基板上 でのInAs量子ドット 、量子ダッシュの 形成と、そのキャ リアダイナミッ
クスの 評価、その結果得 られたドット間の結 合によるキャリア の移動と実効振動 子強度の減少、より 高い 温 度で のキ ャ リア のバ リア、WLへの拡 散による発光消光 、それらのレート 方程式解析について述 べている。また単 一量子ダッシュの鋭 い発光スベクトル を観測し、単一光 子源開発の可能性につい て述べている。
第5章 では 、 I
nGaSb
系 量 子井 戸に つ いて 、特 に 光ファイバー 通信波長帯で発光 する量子井戸の構 造評 価 、光 学評 価 を行 い、 こ れに 基づ ぃ てGaAs
基 板 上に 成長 し た際 にGaSb/
GaAsヘテ ロ界 面に m停 を 挿 入 す る 効 果 に つ い て 、 時 間 分 解 発 光 スペ クト ル 測定 結果 に 基づ ぃて 述 べて いる 。
第6章では、本研 究の成果を総括し 、今後の展望につ いて述べている。
これ を要するに 、著者はInP基板上の量子ナ ノ構造における電 荷キャリアの移動 を時間分解発光
ス ペク ト ル測 定に よ って 解明 するとともに基 板結晶面による量 子ナノ構造形成過 程の違いを明らか にし 、 GaSb/GaAsヘテ ロ 界面 に発 生 する 転移 を 界面だけに閉 じ込める新手法の 有効性を光学特性から 明確にして、光通 信波長帯光子源への 応用に関する重要 毅知見を得た。こ の知見は光通信工学，情報科学の発展に寄与するところ大顔るものがある。よって著者は，北海道大学博士（情報科学）の学位 を授与される資格 あるものと認める。

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