2019 Fiscal Year Research-status Report
異種テラヘルツ過渡現象が共存した半導体結晶からの電磁波放射応答の解明
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18K03497
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| Research Institution | University of Hyogo |
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Principal Investigator |
長谷川 尊之 兵庫県立大学, 物質理学研究科, 助教 (00533184)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | テラヘルツ電磁波 / キャリア輸送 / プラズモン / 光学フォノン / キャリアダイナミクス / 超高速現象 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は異種の光励起キャリア過渡現象の共存とテラヘルツ電磁波放射応答との関連性を解明することを目的としており、今年度は電磁波時間波形に焦点を置いて調査を行った。以下に得られた研究成果を示す。
1. n型GaAs上に非ドープGaAs層をエピタキシャル成長させたGaAs多層膜を対象として、内蔵電場を有する非ドープ層から放射されたテラヘルツ電磁波の時間波形を、光励起分極と格子変位の時間領域結合方程式に基づいて解析した。テラヘルツ電磁波時間波形は、非平衡キャリア輸送および縦光学フォノン・プラズモン結合（LOPC）モードに起因した２成分が重畳している。そこで、光励起分極の時間発展に含まれるステップ型成分と振動成分から個別にテラヘルツ電磁波時間波形を計算して足し合わせることで測定結果を再現した。さらに、上記の解析方法に基づいて、非ドープ層厚（内蔵電場強度）に依存したテラヘルツ電磁波時間波形の変化について考察した。その結果、光励起キャリアの輸送速度を反映した内蔵電場の遮蔽時間が、テラヘルツ電磁波時間波形に寄与していることを明らかにした。
2. GaAs多層膜構造における非ドープ層の内蔵電場強度が温度依存性を持つことを利用して、温度制御によるテラヘルツ電磁波放射応答の内蔵電場強度依存性を調査した。実験では、テラヘルツ電磁波放射機構の異なるInAsバルク結晶をリファレンス試料として用いた。以上の実験と解析から、LOPCモードの放射強度は、キャリア輸送成分と比べて、内蔵電場強度により強く依存することを明らかにした。
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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
昨年度に引き続きテラヘルツ電磁波時間波形の解析方法を光励起分極・格子変位の時間領域結合方程式に基づいて検討し、非平衡キャリア輸送およびLOPCモードに由来したテラヘルツ電磁波の時間波形を分離する方法を確立した。これにより、テラヘルツ電磁波の放射開始時間および減衰時間を直感的に評価できるようになった。さらに、テラヘルツ電磁波時間波形の解析をより発展させるために、レーザーパルスペアを生成して試料に時間差を与えて照射するための光学系を当初の計画通りに追加整備した。具体的には、ピエゾ駆動ステージによって、レーザーパルス間隔をフェムト秒オーダーで調整でき、かつテラヘルツ電磁波放射波形の全時間領域での干渉プロファイルを測定することが可能な分光システムを構築した。本システムにより、異なるGaAs多層膜構造および光励起条件における系統的な測定を実施した。
上記と並行して、試料温度による内蔵電場強度のチューニングから、非ドープ層厚一定条件下でのテラヘルツ電磁波放射の内蔵電場強度依存性を系統的に測定することに成功した。これにより、非ドープ層厚によって内蔵電場強度を変化させる従来の方法と比べて、より定量的な解析が可能になった。
加えて、テラヘルツ電磁波放射の制御の観点から、内蔵電場強度を変化させるための試料表面の加工方法について検討した。
以上の取り組みから得られた知見は、本研究の最終目的であるテラヘルツ電磁波放射応答の解明およびLOPCモードのテラヘルツ電磁波放射の制御を達成する上で重要である。よって、現在までの進捗状況は「おおむね順調に進展している」と評価した。
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| Strategy for Future Research Activity |
GaAs多層膜構造の非ドープ層厚、試料温度、及び光励起条件に対して系統的に測定したデータを集約して、光励起キャリア過渡現象共存下特有のテラヘルツ電磁波放射応答の解明を目指す。さらに、異なる半導体構造を対象とした研究を展開する。たとえば、GaAs多層膜構造の試料表面の加工により内蔵電場等を変化させ、表面状態と放射特性との関係性を定量的に調査する。特に、LOPCモードからのテラヘルツ電磁波の周波数可変性を活かすために、エミッターとしての最適条件を探査する。
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