2017 Fiscal Year Annual Research Report
非発光再結合検出による非破壊三次元評価法の開発と量子ナノ太陽電池の効率向上
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16H04648
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| Research Institution | University of Miyazaki |
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Principal Investigator |
福山 敦彦 宮崎大学, 工学部, 教授 (10264368)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 非破壊非接触評価法 / 非発光再結合検出 / 量子ナノ構造 / ヘテロダイン型干渉系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子ナノ構造でのミニバンド形成やキャリア発生、再結合、輸送といった基礎物性評価を目的として、キャリアの非発光再結合過程に着目する。光ヘテロダイン微小振動測定技術を申請者らがこれまで開発してきた光熱変換分光法に導入しすることで非破壊非接触且つ高感度な非発光再結合検出技術を新たに実現する事が本研究の要旨である。
平成29年度は、前年度に構築したモノダイン型PPT測定システムの調整と、より高感度化を目指したヘテロダイン型PPT測定システムへの改良を行うための準備等を行った。前年度までの構築で、一つの周波数を用いたレーザー干渉を利用したモノダイン型光学系の導入により20 mW/cm-2のレーザー照射時に数 nmの表面変位が測定できることを確認できた。ただし、周囲ノイズ（実験台の振動や人の動き）も大きく、干渉信号が得られないケースも時々みられた。そのため、光軸調整やプリアンプ等の導入によりノイズ軽減を図った。その結果安定した干渉信号を得るに至った。
二つの周波数を採用するヘテロダイン光学系の構築には適切な周波数シフターや1/波長板等の導入が必須である。これらの光学機器は市販されてはいるが様々な仕様の機器が存在するため、当該光学システムを設計・作製可能な業者の実験室にて仮組みし、ヘテロダイン化によって生じるビート信号を得られるかの確認実験を行った。その結果、十分なビート信号が得られる確認がとれたため必要機器の発注をおこなった。機器納品を待ってヘテロダイン型PPT測定システムを組み上げた。基準サンプルとしてIII-V族半導体GaAsウエハを採用し、ビート信号を取得できた。
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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
光ヘテロダイン型表面検出は複雑な光軸調整が必要なため、まずは光軸レイアウトがシンプルなモノダイン型光学系を導入した。その結果、システムとして2～3 nmの検出精度があることを確認できた。次にIII-V族半導体GaAsウエハ表面に波長800 nmのレーザー光を励起光源として照射した際の表面変位検出を試みた。励起レーザーはGaAsのバンドギャップ以上のエネルギーであるため表面近傍で吸収され電子－正孔対を形成する。形成された電子－正孔対の非発光再結合によって放出された熱が試料表面を膨張させる。励起レーザー光をチョッパー等で断続化すれば、表面も同一周波数で振動する。この表面振動が本研究で検出すべき光熱変換信号である。
システム納品後の実験環境にて表面変位を検出したところ、モノダイン型光熱変換信号を感度よく検出でき、基準データとの比較から今回の測定条件では20 mW/cm-2のレーザー照射時に数nmの表面変位が測定できることを確認できた。より高感度化を目指して、二つの周波数を用いたヘテロダイン光学系に改良した。周波数シフターやプリアンプ等を導入して仮組みによる確認を経て、ヘテロダイン型PPT信号が得られる見込みが得られた。
今回の構築で大幅に検出感度を向上できることが示されたことから「おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
一昨年度導入した表面変位検出システムは、単一の周波数を用いたモノダイン型光学系である。平成29年度は周波数シフター等の光学機器を追加し、ヘテロダイン型光学系への改良を行った。ピエゾモーター上に設置したサンプル台をナノメートルオーダーで変位させた場合のビート信号および出力電位差を測定し、変位量と出力電圧の相関図を作成する。これが今後の基本データとなり、以下の作業を行う。
（１）GaAsやSi等、既に光熱変換信号のデータ蓄積が済んでいる標準サンプルを用いて、ヘテロダイン信号を測定し、光熱変換による変位量の定量評価を行う。
（２）現時点ではビート信号をデータロガーによって読み込んでその中からマニュアルでビート信号を計算している。将来的にマッピングも視野にいれているため、自動でビート信号を計算する必要がある。そこで、関連するソフトを作製可能な業者に依頼し自動化を試みる。
（３）平行して理論計算も行い、計算値と上記実験値の比較から定量評価に関わる諸問題を明確にする。具体的には検出光チョッピング周波数や照射レーザー波長、照射レーザー強度とビート信号出力電位差の相関関係の明確化である。この結果、これまで取得できなかった、光励起キャリアの非発光再結合による発熱量（表面変位量）の定量評価が可能となる。
（４）信号解析について問題等が発生した場合には、光熱変換法の理論的解析を精力的に実施しているトロント大学機械工学科のMandelis教授やパリデカルト大学のTessier教授と電子メールを中心とした継続的な議論を行い、問題点をクリアにする。
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