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量子細線レーザーの作製 とデバイス特性の解明

量子細線レーザーの作製 とデバイス特性の解明. 東京大学 物性研究所　秋山英文チーム 大阪大学 大学院理学研究科　小川哲生チーム （共同研究）　ルーセント・ベル研　ローレン・ファイファー. 2002 年 10 月～　 JST ・ CREST 　榊裕之総括　 5 千万円（ ÷2 ） ×5 年. ホタルの発光の量子収率. 東大物性研 , JST ・ CREST 　安東頼子 , 秋山英文 産総研（大阪） , 静岡大　 丹羽一樹 , 近江谷克裕 アトー㈱　山田展之 , 入江勉 , 榎本敏照 , 久保田英博.

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量子細線レーザーの作製 とデバイス特性の解明

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Presentation Transcript

  1. 量子細線レーザーの作製 とデバイス特性の解明 東京大学 物性研究所　秋山英文チーム 大阪大学 大学院理学研究科　小川哲生チーム （共同研究）　ルーセント・ベル研　ローレン・ファイファー 2002年10月～　JST・CREST　榊裕之総括　5千万円（÷2）×5年 ホタルの発光の量子収率 東大物性研,JST・CREST　安東頼子, 秋山英文 産総研（大阪）, 静岡大　丹羽一樹, 近江谷克裕 アトー㈱　山田展之, 入江勉, 榎本敏照, 久保田英博

  2. T-shaped Quantum Wire (T-wire)

  3. GaAs substrate Cleaved-edge overgrowth with MBE [110] [001] (001) MBE Growth In situ Cleave (110) MBE Growth 600oC 490oC by L. N. Pfeiffer et al., APL 56, 1679 (1990).

  4. High Quality 490C Growth T-wire ??? Atomically flat interfaces (By Yoshita et al. JJAP 2001)

  5. High Quality 490C Growth 510-600C Anneal T-wire !? Atomically flat interfaces (By Yoshita et al. JJAP 2001)

  6. High Quality 490C Growth 510-600C Anneal T-wire !!? Atomically flat interfaces (By Yoshita et al. JJAP 2001)

  7. High Quality 490C Growth 510-600C Anneal T-wire !!!!! Atomically flat interfaces (By Yoshita et al. JJAP 2001)

  8. 構造均一性の極めて高い半導体量子細線を用いて量子細線レーザーを作製し，低閾値電流や高微分利得など、超高速・超省電力に直結する高性能を検証し、低次元化の特徴をとらえる。構造均一性の極めて高い半導体量子細線を用いて量子細線レーザーを作製し，低閾値電流や高微分利得など、超高速・超省電力に直結する高性能を検証し、低次元化の特徴をとらえる。 状態密度の考察だけではなく、多体電子間相互作用の効果 を入れた理論と、現実に即した数値計算・シミュレーションが必要。 本研究のねらいと背景 ダブルへテロ構造レーザー 量子井戸レーザー 量子細線レーザー 量子箱レーザー 低次元化 ⇒状態密度の尖鋭化 ⇒低閾値・高微分利得 　　　　　 　⇒省電力・高速化 日本が先導してきたナノテクノロジーの中心的な研究指針 構造ゆらぎ（界面の凹凸）による電子状態のボケが問題

  9. PL and PLE spectra 1D free exciton small Stokes shift 1D continuum states arm well T-wire stem well (Akiyama et al. APL 2003)

  10. E-field E-field // to wire _ to wire // to arm well I Absorption a= 80-90 /cm (G=5x10-4), or T= 1-2% @ L=0.5mm cavity for single T-wire PLE

  11. Single quantum wire laser Probability of Photon Cavity length500 mm G=5x10-4 Probability of Electron

  12. Scanning micro-PL spectra scan T-wire stem well T-wire stem well T=5K ContinuousPL peak over 20 mm PL width < 1.3 meV

  13. Lasing in a single quantum wire 500mm gold-coated cavity Threshold 5mW (Hayamizu et al, APL 2002)

  14. Single wire laser with 500mm gold-coated cavity

  15. 透過測定

  16. 透過率spe

  17. single吸収spe

  18. 室温吸収

  19. 利得測定

  20. 利得spe

  21. e h e e h 理論 高際、小川 2002年　（スピン、Trion） 小川、古崎、永長　1992年　（１次元性） ゲートつきN型変調ドープ単一量子細線FET構造 細線サイズ　14nmx6nm 1次元電子ガス濃度 フォトルミネッセンス強度

  22. 量子細線レーザー：　光励起から電流注入への展開量子細線レーザー：　光励起から電流注入への展開 光励起レーザー 　多様な物理計測 [既に進行中] 電流注入レーザー 　電流閾値・微分利得 　　の絶対値測定 　直接変調特性 　　（応答周波数・チャープ） [３年以内] １ 光スイッチ・変調器 　超高速・光-光制御

  23. ホタルの発光の量子収率 東大物性研, CREST-JST　安東頼子, 秋山英文 産総研（大阪）, 静岡大　丹羽一樹, 近江谷克裕 アトー㈱*　山田展之, 入江勉, 榎本敏照, 久保田英博 *1964年設立、現在社員約70名

  24. ガラス

  25. Results of my Detection Limit Front-illuminated Cooled CCD Camera -40C, QE=0.25@633nm • Human Eyes (center) 1x105 photons/s @633nm 1x104 photons/s @532nm • Human Eyes (boundary) 3x103 photons/s @532nm • Cooled CCD Camera @633nm 5 photons/s x 30min (or 1800s) ~ 10,000 photons cf. Noise equivalent to ~ 1,000 photons (S/N ~ 10) Human Eyes Microscope Fiber LASER Attenuator

  26. ホタルルシフェリン　88% イクオリン 17% ゲンジホタル オワンクラゲ 鉄道虫 ウミホタルルシフェリン　28% ウミホタル （電通大丹羽平野研HP・産総研近江谷研HP・横須賀市自然人文博物館HPより）

  27. ホタル(ルシフェリン-ルシフェラーゼ)発光研究の歴史ホタル(ルシフェリン-ルシフェラーゼ)発光研究の歴史 1956年　酵素ルシフェラーゼの精製 1957年　基質ルシフェリンの精製 (1万5千匹のホタルから9mg)と物理的性質 1959年　発光量子収率88±25%の報告(Seliger & McElroy) 1961年　基質ルシフェリンの構造決定と合成 1965年　ルミノールの発光量子効率1.24% (Lee & Seliger) (他から0.8%や3.6%という報告も出たが、1.2%が支持された) 1972年　発光生成物がオキシルシフェリンと判明 1985年　酵素ルシフェラーゼのｃDNA単離と大腸菌での合成 1987年　酵素ルシフェラーゼｃDNAの塩基配列解読 (1959年の試料はラセミ化していて、光る光学異性体の純度が50%程度しか無かったらしいことが後に解った。しかしながら、今日まで発光量子効率88%の検証・追試は報告されていない)

  28. 結果と考察

  29. cooled ＣＣＤ ＰＣ Spectro- meter 分光測定 : 発光を分光して測定 全光測定 : 発光を分光せず、レンズに入射 した発光像がCCD面に照射される 測定系 lens(f=50) Iris Mirror 121mm 87mm ↑ Long cut filter トリガー溶液 → ←発光基質溶液 　　 ↑ 白・透明マイクロウェル （4×4×8.5mm3） full 100μｌ

  30. 光電子増倍管 NBS標準光源(全強度較正) NBS標準光源(色温度較正) 　ガラス管技術、高電圧 　経時変化・設定誤差が大きい DC計測ノイズ(暗電流・1/f)が大きい レンズ・ミラーは用いない 点光源近似を用いて、 　集光効率を見積もった 冷却CCD検出器 パワーメータ＋レーザー 光スペアナ＋一般白色光源 　半導体技術、低電圧 　経時変化が小さい DC計測ノイズが小さい レンズ・ミラーを用いたので、反射ロスも較正した 参照用プレートセルを用い、 　集光効率の較正をした 従来 今回

  31. 補助スライド

  32. 今後の技術目標 • 発光フォトン量の絶対値が高感度測定できる 　全光計測および分光計測の装置の完成と普及 • 蛍光量子収率の測定システム開発 η化学生物発光＝ η化学反応× η一重項生成× η蛍光 • 生きた細胞の定量顕微分光画像計測

  33. CCD sensitivity & 波長依存性 Calibration 検出器感度 分光測定 （CCD ＆ spectrometer） 全光測定 (CCD)

  34. θ next =1.0 i nint=1.33 lens a r 発光溶液 ピッカジーンLT7.5 （東洋ビーネット） 発光半減期　7.5時間以上 a : 10 (mm) r : 74 (mm) θ Calibration 白・透明マイクロウェル集光効率 参照測定：集光効率の見積もれるうすい透明プレート Mask Plastic plate 0.79mm 発光溶液 Cover glass 0.1mm 4mm 発光体積＝4mm x 4mm x 0.79mm NAext = sinθ=0.1347 NAint = sinθ/nint =0.1011 　　立体角　η={1-(1-NAint2)1/2} / 2 =0.256(%) 発光溶液→

  35. 白・透明マイクロウェルの集光効率

  36. 感度換算値

  37. ＊ H2O2 +ｈν HRP ルミノール量子収率測定 発光過程 ルミノール ルミノール ＊

  38. ルミノールの発光スペクトルと 　　　　　　　　　量子収率 透明マイクロウェル＆分光測定 Photon数　 5.79×1011 分子数　　　 3.01×1013 量子収率　　1.84％

  39. 発光過程 Ｍｇ2+，ルシフェラーゼ 　　　　ルシフェリン＋ATP------------- ルシフェリル-ＡＭＰ・ルシフェラーゼ + Ｐ-P 　　　　　ルシフェリル-ＡＭＰ・ルシフェラーゼ-------- 生成物　+　ルシフェラーゼ +ｈν O2+ ホタルルシフェリン量子収率測定

  40. Photoluminescence intensity (photon/0.5nm) 　ホタルルシフェリンの発光スペクトルと 　　　　　　　　　　　　　　　量子収率 白色マイクロウェル＆分光測定 Photon数　 8.24×1010 分子数　　　 2.77×1011 量子収率　　29.01％

  41. ホタルの発光プロセス 化学反応式の出典：キリヤ化学ホームページ 分子量約61kDaのたんぱく質 ホタルルシフェラーゼ(酵素), ATP,Mg+ ホタルルシフェリン(基質) オキシルシフェリン pH < 7 pH > 7.6

  42. (図：下村脩,バイオサイエンス最前線vol.22,1998)(図：下村脩,バイオサイエンス最前線vol.22,1998) イクオリン（オワンクラゲ）の発光過程 イクオリン----- アポイクオリン+セレンテラミド+ＣＯ2+ Ｃａ2+ 発光 　　　　　　　　　　　　　　　　濃度（Ｍ）　液量（μｌ） ①　イクオリン(チッソ) 4.5e-95～20 ②　Ca(NO3)20.1100～110 ※遺伝子組換え体イクオリン

  43. ウミホタル（ウミホタルルシフェリン） の発光過程 ＋光 補因子などのない、極めて単純な反応である

  44. 内容 　●生物・化学発光溶液試料の 　　量子収率測定システムの開発 　●ルミノールの量子収率測定 [1.24% by Lee & Seliger (1965) の検証] 　●ホタルルシフェリン量子収率測定 [88% by Seliger & MacEloy(1959) の検証]

  45. (001) and (110) surfaces of GaAs (110) (001) [001] [110] [110] [001]

  46. (By Yoshita et al. APL 2002)

  47. (By Yoshita et al. APL 2002)

  48. (By Yoshita et al. APL 2002)

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