2018 Fiscal Year Research-status Report
Identification of Surface Carrier Recombination Rate in Wide-bandgap Semiconductors using Time-resolved Photoelectron Spectroscopy with Ultrafast Pulsed Laser
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18K13791
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
市川 修平 大阪大学, 工学研究科, 助教 (50803673)
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2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 光電子分光 / 時間分解 / 表面再結合 / 砒化ガリウム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、表面に敏感な紫外光電子分光測定において時間分解二光子光電子分光測定系(Tr-2PPE)を構築し、半導体の表面再結合速度の同定を目指している。
初年度では、まず系の構築を目指す目的で、un-dope (001) GaAs基板表面に励起された電子の短寿命緩和過程を評価した。励起光源としてTi:Sappレーザー(パルス幅: ~100 fs、繰り返し周波数: 80 MHz) を用い、GaAsのバンドギャップ1.42 eVよりも僅かに大きいエネルギーを持つ基本波(波長800 nm, 1.55 eV)をポンプ光として利用した。さらに基本波をBBO結晶に通して得られた第二高調波(波長400 nm, 3.10 eV)をプローブ光として用い、Mach－Zehnder干渉計にそれぞれのパルス光を入射した。この際、各パルスの光路差を制御することで高い時間分解能を有するTr-2PPE系を作製した(Δt ~ 6.7 fs)。GaAsの電子親和力が4.07 eVであることから、上記ポンプ・プローブ光による二光子励起過程では光電子放出に十分なエネルギーを得られないため、真空チャンバー内で試料表面にCsを蒸着する(被覆率~14%)ことにより電気二重層を形成し、実効的な電子親和力を低減した。
上記試料の測定により得られた光電子強度の時間分解減衰曲線に対して、基本波と第二高調波の相互相関関数(FWHM: 170 fs)と、マルチexponential関数をコンボリューションした関数で減衰曲線をフィットし、励起電子の緩和寿命を見積もった。フィッティング結果から、GaAs表面では微小スケールで点在する表面欠陥を反映した複数の再結合寿命が見積もられ、0.55-1.7 psの緩和寿命が見積もられた。局所的な構造欠陥がない表面における表面再結合寿命は24.2 psであることが示唆された。
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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
マルチカラーの短パルスレーザーを集光することで、高い時間分解能を有する時間分解二光子光電子分光系を実現した。さらにCs修飾機構も備え付け、半導体の仕事関数制御を可能にした。実際の測定により、GaAs半導体表面でのサブピコ秒レベルの表面再結合寿命に関する知見も得られており、研究は極めて順調に進行している。当初の研究計画に比べて遅れは生じていない。
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度では、GaAs試料を利用して表面再結合速度の同定に成功した。今後は、ワイドギャップ半導体材料に本測定を適用し研究を進めていく予定である。これまでの研究で、チタンサファイアレーザーの基本波と第二高調波を利用した時間分解二光子光電子分光系を実現したが、今後のワイドギャップ半導体での実験のためには、より高エネルギーの励起が可能な第三高調波を系に組み込む必要がある。次年度以降に更なる測定系の拡張を行う予定である。
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