2018 Fiscal Year Annual Research Report
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17H02910
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
中 暢子 京都大学, 理学研究科, 准教授 (10292830)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
秋元 郁子 和歌山大学, システム工学部, 准教授 (00314055)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | バレー偏極 / 光配向 / 間接型半導体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年の遷移金属ダイカルコゲナイドの単一原子層化による直接型ギャップ形成を契機として、円偏光励起によるバレー偏極の研究が目覚ましい発展をみせている。また、光注入によるスピン配向（光配向）の研究はGaAsなどの直接遷移型半導体で古くから行われている。これらの物質は直接型ギャップに由来する高い光再結合確率を持つが、一方でキャリアの寿命は数ピコ秒と非常に短い。情報保持に適する長いコヒーレンス時間を持つようなバレー偏極が強く求められている。そこで、本研究では、間接型半導体における長寿命のキャリアに着目する。長いバレーコヒーレンス時間が期待されるIV族真性半導体のデルタバレー（結晶の〈001〉軸に等価な６方向の伝導帯の谷）にキャリアを選択的に「共鳴励起」する手法を開拓し、バレー自由度を活用するための光初期化の実験を行う。
本年度は、特に、デルタバレーに選択的にキャリアを光注入する経路の解明、低密度極限での真性キャリアの散乱時間の測定、バレー偏極の空間輸送の実現に向けた外力印加法の検討を中心に研究を進めた。広い温度領域でフォノン介在遷移によるデルタバレーへのキャリア注入経路が存在することや、キャリアの空間輸送特性と歪みの定量的な関連性が初めて明らかになった。本年度は、本研究課題と関連の深い著名な国際学会が国内で開催されたため、招待講演を含め多くの成果発表を行うことができた。研究計画は順調に進展しており、論文出版も精力的に行った。本研究において真性半導体への光励起キャリアの注入技術を高めることは、高純度化が進む次世代半導体材料のデバイス応用において重要な意義を持つと考えられる。
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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
平成30年度は、光注入によるデルタバレー偏極に関する以下の研究課題に取り組み、国内外での学会発表および論文出版を行った。
a) デルタバレー偏極キャリアの光注入経路の解明：これまでシリコンで明らかにしたバレー選択励起に関する知見に基づき、ダイヤモンドにおけるキャリアの光注入経路について詳細な実験を行った。特に、温度変化に注目し、サイクロトロン共鳴信号を利用した室温までの励起スペクトルの測定に初めて成功した。間接遷移型半導体であるダイヤモンドでは、広い温度領域でフォノン介在遷移によるデルタバレーへのキャリア注入経路が主要になることを明らかにした。この成果を含めたレビュー論文の共同執筆を本課題の分担者とともに行った。
b) 低密度極限での真性キャリア散乱機構の解明：昨年度に新たに実現した定常光励起によるダイヤモンドのキャリア移動度測定では、従来のパルス光励起法に比べて、非常に密度の低いキャリアからの信号が得られていることが分かった。特に、低密度極限で得られたキャリア移動度は、これまでの報告値を超える大きな値となった（約1E8 cm2/Vs）。一方、パルス光励起の場合には、キャリアが高密度状態にあるためにキャリア-キャリア散乱が起こり、散乱時間が短縮していることを明らかにした。
c) バレー偏極の空間輸送の実現に向けた外力印加法の検討：歪みによるキャリア移動度の変化について実験研究を行った。数ミリ角のダイヤモンド試料全体にわたる複屈折像を解析し、試料内の残留歪みの大きさの空間依存性を得ることに成功した。残留歪みの大きさの異なる複数の試料、および、同一試料内で歪みの大きさの異なるスポットに光励起でキャリアを生成し、移動度および寿命測定を行った。残留歪みはその大きさが1E-5 と微小であっても、残留不純物の影響を大きく上回るような効果をもたらすことが明らかになった。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成31年度以降は、シリコンに比べ長いバレーコヒーレンス時間が期待されるダイヤモンドを用いてデルタバレー偏極に関する次の研究を行う。
a) バレー緩和時間に関わる変形ポテンシャルの精密決定：本課題では、ダイヤモンドにおける新たなキャリア注入法として深紫外定常光による励起法を開発した。この光励起下で得られるキャリア移動度の値を用いて、輸送実験の設計に必須となる物性パラメータの精密決定を試みる。定常光励起では、高密度励起が必要であった従来手法と異なり、キャリア間散乱やホットキャリア等の外因性の効果を排除してダイヤモンドに内在する真性過程により決まる移動度の上限値を得ることができる。そのような条件のもとで、キャリアのドリフト距離およびバレー緩和時間を決定する弾性パラメータ（変形ポテンシャル）の値を精査する。
b) 結晶方位に依存する非等方的な励起子輸送の観測：ダイヤモンド等デルタバレーを有する半導体は、非等方的なキャリア有効質量および弾性定数を有する。このため、結晶方位との角度の違いにより、キャリアや励起子輸送に非等方性が生じることが期待される。本年度は、励起子輸送の非等方性を明らかにするため、ダイヤモンドの異なる結晶面での発光イメージングの実験を行う。実験結果と輸送モデルに基づく数値計算結果との比較を試み、輸送特性制御につなげる。
c) デルタバレーを有する物質の非線形性バンドの実測：スピン軌道相互作用の小さいダイヤモンドでは、軽い正孔、重い正孔、スピン分裂正孔の３つの価電子帯間の混成が顕著になることが分かってきた。この混成により、正孔バンドは有効質量近似で想定される放物線型からは外れ、非放物線型になることが予測される。このことをサイクロトロン共鳴法により実験的に検証するとともに、デルタバレーを有する物質におけるバンド非放物線性の新たな理解に向けて解析を進める。
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| Remarks |
京都大学大学院理学研究科物理学・宇宙物理学専攻光物性研究室
http://www.hikari.scphys.kyoto-u.ac.jp/jp/index.php?Nobuko%20Naka
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