2018 Fiscal Year Research-status Report
励起子非弾性散乱過程におけるポラリトン的空間伝播による発光機構の解明
| Project/Area Number |
18K03494
|
|---|
| Research Institution | Osaka City University |
|---|
Principal Investigator |
中山 正昭 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (30172480)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 励起子非弾性散乱過程 / 励起子－励起子散乱 / 光子性下枝ポラリトン / 空間分解発光分光法 / 時間分解発光分光法 / GaAs/AlAs多重量子井戸構造 / GaAsN薄膜 / InGaN薄膜 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
1. GaAs/AlAs多重量子井戸構造と希薄窒化物混晶GaAsN薄膜（N濃度=0.4～1.5%）を対象として、10Kにおいて励起子－励起子散乱の空間分解発光特性の測定を行った。空間発光イメージの測定から、励起スポットから空間的に離れた試料端面に発光スポットが出現することを見出し、空間分解発光スペクトルの測定から、試料端面の発光スポットにおいて、励起子－励起子散乱発光（P発光と呼ぶ）が選択的に観測されることを明らかにした。このことは、励起スポットでの励起子－励起子散乱によって生成された光子性下枝ポラリトン（励起子－励起子散乱過程の終状態）が試料面内を空間伝播し、結晶の並進対称性が破れている試料端面において光子、すなわち、P発光に変換されていることを明確に示している。
2. GaAs/AlAs多重量子井戸構造と希薄混晶InGaN薄膜（In濃度=2%）を対象として、励起子－励起子散乱の時間分解発光特性の測定を行った。GaAs/AlAs多重量子井戸構造では、10～60Kの温度領域において次に記す系統的な実験結果を得た。P発光速度（発光寿命の逆数）は、検出エネルギーが低くなるに従って速くなるが、励起強度を変化させても変わらない。励起強度依存性が無いということは、P発光速度が、励起子－励起子散乱過程ではなく終状態の光子性下枝ポラリトンによって決定されていることを示している。さらに、P発光速度の検出エネルギー依存性が、ポラリトン方程式におけるブロードニング因子の温度依存性を考慮して計算した光子性下枝ポラリトンの群速度によってスケーリングできることを明らかにした。また、希薄混晶InGaN薄膜においても、10KにおいてGaAs/AlAs多重量子井戸構造と同様の結果が得られた。以上のことは、P発光速度が、光子性下枝ポラリトンの特性を反映していることを明確に示している。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
研究計画調書に記した本研究の目的は、以下の通りである。
励起子非弾性散乱過程である励起子－励起子散乱と励起子－電子散乱の発光機構について、散乱過程の終状態である光子性下枝ポラリトンの空間伝播を伴う光子への変換過程に着眼し、多様な半導体試料（GaAs/AlAs量子井戸構造、ZnO薄膜、GaN系薄膜、銅ハライド系薄膜）を対象に、空間分解発光分光法と時間分解発光分光法を駆使して、ポラリトン描像のユニバーサリティを確立する。具体的には、ポラリトンから光子への変換過程では、結晶の空間対称性の破れが必要であり、薄膜構造では試料端面に相当する。この観点から、光励起スポットにおいて励起子非弾性散乱によって生成された光子性下枝ポラリトンが空間伝播して試料端面で光子に変換されることを、光励起スポットと発光スポットの空間分離特性から検証する。発光ダイナミクスの観点では、励起子非弾性散乱発光速度とポラリトン群速度（空間伝播速度）との相関関係を確立する。このように、空間と時間の両面において、励起子非弾性散乱過程におけるポラリトン的空間伝播による発光機構を系統的に明らかにする。
研究実績の概要に記したように、GaAs/AlAs多重量子井戸構造とGaAsN薄膜における励起子－励起子散乱を対象として、空間分解発光分光法を用いて光子性下枝ポラリトンの空間伝播特性を明らかにした。さらに、GaAs/AlAs多重量子井戸構造とInGaN薄膜を対象として、励起子－励起子散乱発光速度が光子性下枝ポラリトンの群速度によってスケーリングできることを明らかにした。これらの成果は、ポラリトン的空間伝播による発光機構の解明を目的とした本研究の中核となるものである。
以上のことから、研究は概ね順調に進展していると自己評価する。
|
| Strategy for Future Research Activity |
1. 励起子－励起子散乱のポラリトン的空間伝播による発光機構に関しては、これまで述べたように解明が順調に進んでおり、励起子－電子散乱の発光機構が残された課題である。励起子－電子散乱に寄与する電子は、励起子の熱解離により供給される。したがって、まず、温度を極低温（10K）から室温近傍まで変化させて、励起子－励起子散乱から励起子－電子散乱への移行過程を詳細に検討する必要がある。そして、励起子－電子散乱が検証できた試料を対象に、空間分解発光分光法を用いてポラリトン的空間伝播を解明する。励起子－電子散乱過程の終状態は、原理的に、励起子－励起子散乱と同じ光子性下枝ポラリトンである。したがって、実験方法と解析方法は、平成30年度の研究において既に確立している。すなわち、空間発光イメージの測定から、励起スポットから空間的に離れた試料端面に発光スポットが出現すること、及び、空間分解発光スペクトルの測定から、試料端面の発光スポットにおいて、励起子－電子散乱発光が選択的に観測されることを検証する。当面の試料としては、励起子－励起子散乱に関する成果との関連性から、GaAs/AlAs多重量子井戸構造とInGaN薄膜を予定している。
2. 本研究の目的に掲げた多様な試料を用いてポラリトン的空間伝播による発光機構を系統的に解明することに関して、ZnO薄膜と銅ハライド系薄膜の実験が出来ていないので、これらを対象に研究を展開する。なお、銅ハライド系薄膜としてはCuI薄膜をまず対象とする。ZnOとCuIの励起子束縛エネルギーは、どちらも60meV程度であり、半導体の中では励起子の安定性が極めて大きい。まず、10Kにおいて確実に生じる励起子－励起子散乱発光の空間分解特性と時間分解特性の測定と解析を行う。その解明の後に、励起子－電子散乱に関する研究に移行する。
|
