2016 Fiscal Year Annual Research Report
深紫外域混晶量子井戸構造における励起子分子の基礎物性解明とレーザ動作への応用
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16H04335
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| Research Institution | Yamaguchi University |
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Principal Investigator |
山田 陽一 山口大学, 創成科学研究科, 教授 (00251033)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
三宅 秀人 三重大学, 地域イノベーション学研究科, 教授 (70209881)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 励起子分子 / 量子閉じ込め効果 / 量子井戸 / 低次元化 / 局在 / 混晶半導体 / 窒化物半導体 / 励起子工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子井戸構造（x=0.6<y）における励起子分子結合エネルギーの井戸幅依存性および混晶障壁層の組成比依存性を定量的に評価した。まず、混晶障壁層のAl組成比をy=0.7に固定し、混晶井戸層の膜厚を変化させた4種類の量子井戸試料（Lw=0.9, 1.2, 1.5, 2.0 nm）における励起子分子結合エネルギーを導出した。その結果、井戸幅を2.0 nmから1.5 nmに薄くすると励起子分子結合エネルギーは136 meVから146 meVに増大し、井戸幅をさらに1.2 nm, 0.9 nmと薄くすると、励起子分子結合エネルギーは逆に112 meV, 106 meVと減少した。GaAs量子井戸構造における励起子分子結合エネルギーの井戸幅依存性の実験結果と比較すると、Al0.6Ga0.4N/Al0.7Ga0.3N量子井戸構造では、特に井戸幅が薄い場合、励起子分子に対する量子閉じ込め効果が十分ではないことが示唆された。そこで、混晶障壁層のAl組成比を増大させて励起子分子に対する量子閉じ込め効果の増強を図った。その結果、井戸幅1.2 nmの量子井戸試料では混晶障壁層のAl組成比をy=0.70から0.74に増加すると励起子分子の結合エネルギーは112 meVから162 meVに大幅に増大した。また、井戸幅が1.5 nmの量子井戸試料でも混晶障壁層のAl組成比をy=0.70から0.84に増加すると励起子分子の結合エネルギーは146 meVから174 meVに増大した。この結合エネルギーの増大は、伝導帯および価電子帯オフセットの増大により、励起子分子に対する量子閉じ込め効果の増強を反映したものであると考えられる。
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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系混晶量子井戸構造に関して、混晶井戸層の膜厚や混晶障壁層の組成比など、構造パラメータを変化させた一連の量子井戸試料のPLE測定を行い、構造パラメータに依存した励起子分子結合エネルギーの導出に成功した。計7種類の量子井戸試料の励起子分子結合エネルギーを評価できたことにより、励起子分子に対する量子閉じ込め効果の最適化を行うための方針が明らかにされ、本年度の初めに立案した研究実施計画はほぼ達成されたものと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度の研究により、AlxGa1-xN/AlyGa1-yN量子井戸構造（x=0.60 < y）の混晶量子井戸内に形成される励起子分子は非常に大きな結合エネルギーを有し、その最大値は混晶井戸層の膜厚Lw=1.5 nm、混晶障壁層の組成比y=0.84の試料において174 meVに達することを明らかにした。そこで本年度は、高温領域における励起子分子の動的挙動を解明するために、極低温から室温までの温度領域における測定に加えて、室温よりも高温領域における発光および発光励起分光測定を行う。温度上昇に伴う熱エネルギーの影響を受けて励起子や励起子分子は局在状態から非局在状態へと移行していくものと予想される。励起子分子の熱的安定性と結合エネルギーに対する局在化の効果を定量的に解析する。
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