2021 Fiscal Year Research-status Report
Optical bleaching phenomenon in indirect semiconductors
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20K05368
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
賈 軍軍 早稲田大学, 理工学術院, 准教授(任期付) (80646737)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | フェルミ‐ディラック分布関数 / ホット電子 / 電子－フォノン結合定数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
令和3年度には、高密度光励起により半導体中に生成される励起電子の位相散逸およびホット電子の緩和に関して、Pump-Probe測定に基づいた実験観測および物性理論の構築を行った。高強度パルスレーザをPump光として用いて、直接遷移型InN薄膜を照射することで、本来ほぼ不透明な波長領域にProbe光を透過することを観測し、さらにピコ秒オーダーで光の透過を超高速で切り替えることも確認した。この光ブリーチング現象は、励起電子がキャリア―キャリア散乱による位相散逸後に形成したホット電子が、価電子帯内の空準位を一時的に占有することにより、プローブ光が透過するということが実験により明らかになった。さらに、フェルミ‐ディラック分布関数により空準位を占有するホット電子の分布を表し、Two Temperature Modelを用いてホット電子の緩和過程を予測することに試みた。
上記の物性理論の妥当性を検討するため、スーパーコンティニウム光源（SC光源）を購入し、フェムト秒超短パルスレーザ光をSC光源に入射することで広帯域なレーザ光をProbe光として発生し、広い波長領域での光ブリーチング現象を計測した。上記の理論により算出した結果とほぼ同様の傾向が得られ、理論の妥当性を確認した。これにより、価電子帯内におけるホット電子の分布を測定する方法を確立した（論文投稿中）。また、Two Temperature Modelを用いて、電子－フォノン結合定数も求めた。
さらに、高密度光励起により間接遷移型半導体であるSnOとGeの光ブリーチング現象を詳細に観測した。間接遷移型Ge薄膜において、過渡透過・反射の同時測定によりホット電子の谷間散乱を見つけ、直接遷移型InN薄膜より光ブリーチングの持続時間が長くなることがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本課題研究はPump-Probe技術を用いて光ブリーチング現象を計測している。令和3年度、 フェムト秒超短パルスレーザの照射によるスーパーコンティニウム光源（SC光源）から生成される広帯域なレーザ光の発生装置を簡単に構築できると見込んでいたが、光量の制御方法や振動による影響の除去方法の確立に予想以上の時間を要し、進捗がやや遅れた。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和4年度には、これまでの研究成果を踏まえ、高密度光励起による間接遷移型半導体の光ブリーチングに関する理論解明に注力する。令和3年度には、間接遷移型半導体Ge薄膜においてホット電子の谷間散乱を見つけることが出来たので、谷間散乱を含めたホット電子の緩和に関する理論モデルを構築することが第一の課題である。同時に、光ブリーチング現象の測定装置を高精度化にし、間接遷移型SnO薄膜の谷間散乱の計測を試みる。また、ヨウ化物などほかの間接遷移型材料も対象とし、物質のバンド構造と光ブリーチング機能との相関を研究する。これらを解決したうえで、間接遷移型半導体の光ブリーチング現象の制御方法にまとめ上げる。
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| Causes of Carryover |
購入を予定していたスパッタ・ターゲットや石英ガラス基板およびスーパーコンティニウム光発生キットが少なく済んだため。また国内外の学会発表がオンライン発表になって、旅費が不要であった。
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