2018 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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2016-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 非破壊非接触評価 / 非発光再結合検出 / 量子ナノ構造 / ヘテロダイン表面変位検出 |
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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30年度は、構築したヘテロダイン型表面変位検出システムの性能確認および自動化のための表面変位量算出ソフトウエアの開発を行った。前年度において、周囲ノイズ（実験台の振動や人の動き）の影響によって干渉信号が得られないケースも時々みられたため、プリアンプ等の導入によりノイズ軽減を図り、その結果安定した信号を得るに至った。表面変位量の算出は、当初エクセルによるカーブフィッティングを採用した。具体的には励起レーザーON/OFF時のヘテロダイン信号（ビート信号）それぞれで波形をフィッティングし、ON/OFFによる位相変化量を計算する。エクセルを用いたカーブフィッティングの場合、励起レーザーの1周期分しか手動フィッティングが行えない。表面変位量が小さくなりノイズレベルに近くなってしまうと、数十周期に渡って平均値を算出する必要性がある。そのため、ソフトウエアに求める仕様書を作成し、ソフトウエア業者に作成を依頼した。
表面変位量算出ソフトウエアの完成を待って、ヘテロダイン型表面変位検出システムの測定感度の確認を行った。参照としてナノメートルの移動精度をもつピエゾステージを用意し、その上部に全反射ミラーを設置した。それを1～50 nmの設定で変位させてヘテロダイン型表面変位検出システムで測定しソフトウエアにて表面変位量を算出した。その結果、ピエゾステージ設定量と算出した表面変位量の間に相関が得られ、1 nmの変位量でも測定できるシステムであることが確認された。
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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。
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。システムの測定感度の確認は、ナノメートルの移動精度をもつピエゾステージを用意して行ったところ、1 nmの変位量でも測定できるシステムであることが確認された。
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 |
平成30年度に、ヘテロダイン型表面変位検出システムの根幹部分が完成したと判断している。今後は様々なパラメータ変化時のデータを取得し、得られた結果と非発光再結合信号との関係性を明確にする。具体的には以下の作業を行う。
（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、励起レーザーの波長や励起強度を変化させながら表面変位量を測定する。
（２）表面変位量算出はソフトウエア化できたが、現時点ではビート信号をデータロガー経由で制御PCに読み込んで算出ソフトウエアを実行させるといった手順が存在する。将来的にマッピングも視野にいれているため、自動でデータロガーにアクセスし得られたビート信号から表面変位量を計算する必要がある。今後は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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