2019 Fiscal Year Annual Research Report
結晶特異構造における励起子多体効果の光物性評価と光機能性探索
| Project Area | Materials Science and Advanced Elecronics created by singularity |
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| Project/Area Number |
16H06428
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
山田 陽一 山口大学, 大学院創成科学研究科, 教授 (00251033)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
倉井 聡 山口大学, 大学院創成科学研究科, 助教 (80304492)
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| Project Period (FY) |
2016-06-30 – 2021-03-31
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| Keywords | 結晶特異構造 / 混晶不均一系 / 低次元不均一系 / 局在効果 / 励起子 / 内部量子効率 / 窒化物半導体 / 励起子工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
混晶における組成揺らぎや低次元構造における量子サイズ揺らぎなど、構造的不完全性に起因した結晶特異構造に着目し、不均一局在系における励起子の輻射・非輻射再結合ダイナミクスと内部量子効率の相関を解析した。また、光励起による誘導放出の測定を行い、誘導放出機構への励起子の寄与を考察した。
InGaN混晶不均一系に関しては、近紫外、青色、緑色InGaN量子井戸構造を対象として、温度と励起パワー密度を測定パラメータとした発光分光測定により内部量子効率を導出した。また、励起子レート方程式を用いて内部量子効率曲線をフィッティング解析することにより、励起子の全再結合レートに占める非輻射再結合レートの割合を導出し、その温度上昇に伴う増加率を解析した。一方、時間分解発光分光法により非輻射再結合寿命の温度依存性を解析し、励起子の輻射再結合レートと非輻射再結合中心への励起子の捕獲レートの比を導出した。この値は、上述した励起子レート方程式を用いたフィッティング解析の結果と比較することができ、異なる2種類の測定により得た物理量が定量的に一致することを明らかにした。
AlGaN混晶不均一系に関しては、UV-C帯に基礎吸収端を有するAlGaN量子井戸構造を対象として、光励起誘導放出の測定を行った。低温10Kから室温295Kまで、自然放出光の高エネルギー側から誘導放出光を観測した。室温における誘導放出光の波長は270nmであった。誘導放出に対するしきい励起キャリア密度は、10Kでは1.4×1018cm-3、295Kでは3.6×1018cm-3であった。励起子モット転移密度を計算すると3×1018cm-3となることから、低温領域だけではなく、室温付近においても励起子が誘導放出機構に関与していることが分かる。また、誘導放出光スペクトルには縦モードが観測されたことから、レーザ発振が生じていることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
AlGaN混晶不均一系に関しては、AlGaN量子井戸構造の光機能性の評価として、光ポンピングによる深紫外域での誘導放出の観測に成功した。その誘導放出光スペクトルには縦モードが観測されたことから、レーザ発振が生じていることも確認した。誘導放出に対する励起キャリア密度のしきい値は、低温では励起子モット転移密度よりも低く、室温においても同程度であることから、本研究で得られた実験結果はAlGaN量子井戸構造における誘導放出機構に励起子が関与していることを示すものであると考えられる。一方、InGaN混晶不均一系に関しては、近紫外から青、緑色発光波長までIn混晶組成比を変化させたInGaN量子井戸構造の内部量子効率測定と時間分解発光分光測定を行い、2つの異なる測定・解析から同じ物理量（励起子の輻射再結合レートと非輻射再結合中心への捕獲レートの比）を導出し、それらが定量的に一致することを明らかにした。このことは、我々が提案している内部量子効率の測定法と励起子レート方程式モデルの妥当性を示すものであると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
AlGaN系量子井戸構造の誘導放出特性について、誘導放出に対する励起キャリア密度のしきい値と測定対象試料の品質との相関、すなわち、非輻射再結合過程が誘導放出特性に与える影響を解明する。フォトルミネッセンスの励起パワー密度依存性と温度依存性を組み合わせた測定により、測定対象試料の内部量子効率を定量的に評価し、励起子レート方程式を用いた効率曲線のフィッティング解析により、全再結合レートに占める非輻射再結合レートの割合を定量的に導出する。その上で、誘導放出に対する励起キャリア密度のしきい値との相関を解明する。
次に、誘導放出に対する励起キャリア密度のしきい値と励起子系の局在の度合いとの相関、すなわち、励起子系の局在化が誘導放出特性に与える影響を解明する。温度上昇による熱エネルギー増大に伴う励起子系の非局在化が誘導放出特性に与える影響を解明するために、極低温から室温までの温度領域に加えて、室温から高温領域（～750 K）において光ポンピングによる誘導放出を観測し、励起子系の非局在化が誘導放出のしきい値に与える影響を解明する。
上記の測定・解析結果に基づいて、非輻射再結合過程や局在化、低次元化が誘導放出特性に与える影響を系統的に理解する。その上で、励起子系の輻射再結合過程を利用した光学利得生成を最大限に引き出すための量子井戸レーザ構造の最適化を図る。励起子分子や励起子－励起子間の非弾性散乱過程など、励起子多体効果に基づく輻射再結合過程の中で、どの過程が最も低いしきい値を与えるのか、光ポンピングによる測定、解析結果に基づいて解明し、超低しきい値励起子レーザの動作実証と構造最適化を構築する。
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