2019 Fiscal Year Research-status Report
Development of an intense terahertz pulse source using semiconductor heterostructures
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19K04540
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| Research Institution | Osaka Institute of Technology |
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Principal Investigator |
佐々 誠彦 大阪工業大学, 工学部, 教授 (50278561)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小山 政俊 大阪工業大学, 工学部, 講師 (30758636)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | テラヘルツ放射 / GaSb/InAsヘテロ接合 / フォトデンバー効果 / パルス光源 / terahertz radiation / GaSb/InAs / photo-Dember effect / pulse light source |
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| Outline of Annual Research Achievements |
安価なGaAs基板上に成膜したInAs薄膜を利用した，フォトデンバー高強度テラヘルツパルス光源の開発を行っている。すでに，GaSb/InAsヘテロ構造の利用により，GaSb光励起層からInAs放射層へのホットエレクトロン注入により，InAs薄膜のみに比べ，放射電界強度が 1.4 倍増加することが分かっている。これまでには，GaSb層の厚さを詳細に検討していなかったため，従来の 5 nm の構造と新たに 10 nm, 20 nm の構造を作製し，放射特性の比較を行った。
励起波長 800 nm のレーザーで特性を比較したところ，GaSb の膜厚が 10 nm, 20 nm と増加するに従い，放射強度は単調に低下することが分かった。この結果は，ヘテロ界面に，より多くのキャリアを生成する方がよいことを示唆していると考えられる。
また，励起光源としてより安価でコンパクトな光源が使用できる波長 1.56 µm での実験も行った。この場合には，InAs 薄膜を超える放射強度を得ることができず，増強効果が確認できなかった。この結果は，GaSb光吸収層が本波長では，吸収係数が低下し，有効に機能しないためと考えられる。
そこで，光吸収層のバンドギャップを低下させ，光吸収を増大させるため，GaSbにInSbを加えInGaSbを光吸収層とした構造を作製し，同様の実験を行った。その結果，InGaSb 10 nmの構造で，InAs薄膜の放射強度を超える放射強度を確認し，ヘテロ接合を利用したフォトデンバー放射素子が 1.56 um 励起でも有効であることが示された。
さらに，この試料を波長 800 nm で励起した場合にも，増強効果が確認され，光吸収層での励起キャリア数を高めることが放射強度の増強に非常に有効であることが明らかになった。
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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
申請時の当該年度の予定は下記のとおりである。
［2019年度］ヘテロ構造の構造パラメータを検討する。特に、キャリア励起層となるGaSb層の厚さに対する放射強度を検討し、励起層内でのキャリアの初期過程に関する物性を明らかにし、より高い放射強度を実現するための構造設計指針に関する知見を得る。
この予定に対し，従来，GaSbキャリア励起層の厚さが 5 nm と 30 nm, 50 nm であったものに 10 nm, 20 nm を加えて膜厚依存性の評価を行い，この範囲で膜厚の増加に対して単調に強度が低下するという結果を得たこと．また，その結果を考察し，キャリア励起層とInAs放射層との界面での励起キャリア数が重要であるとの予測から，それを改善する構造（InGaSb励起層）を検討・作製し，励起波長が 1.56 um および 800 nm のいずれの場合にも，放射強度が増加する結果を得ている。これらの結果は，初年度の目標を十分に満足するものと考えている。また，今回の検討では，InSbの組成比を 0.1 と 0.2 で行ったが，これをさらに増加させるなど，さらに検討すべき課題も明らかとなったことは，今後の研究の指針にもなる重要な結果が得られたものと考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
進捗状況でも触れたように，キャリア励起層をGaSbからInGaSbに変化させることが，有効であるという結果が得られたため，InSb組成をさらに広い範囲で検討することは重要である。ホットエレクトロン注入の観点では，InSb組成の増加は，励起キャリア数を増加させる一方，InGaSb/InAsヘテロ接合の伝導帯不連続を減少させる効果もあると考えられるため，放射課程に及ぼすこれら素課程の放射強度に及ぼす影響をさらに詳しく検討する方針である。励起波長についても，すでに 1.56 um での結果も得ており，この波長での検討結果を蓄積することで，さらに特性を改善できる構造パラメータの指針を得ることにつなげたい。
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| Causes of Carryover |
本研究の実施には，試料の作製に分子線結晶成長装置を利用するため，その運転には液体窒素の使用が必須である。液体窒素の費用は，従来，大学の費用を主に使用していたが，来年度からは，その費用が減額となるため，次年度以降の液体窒素費用が増額見込となるため，その費用を次年度使用額から充てることを計画している。
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