2023 Fiscal Year Research-status Report
Study for carrier dynamics on semiconductor with THz free electron laser
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20K12491
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| Research Institution | National Institutes for Quantum Science and Technology |
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Principal Investigator |
川瀬 啓悟 国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構, 関西光量子科学研究所 光量子ビーム科学研究部, 主幹研究員 (60455277)
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| Project Period (FY) |
2022-01-04 – 2025-03-31
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| Keywords | 半導体キャリアダイナミクス / 自由電子レーザー / テラヘルツパルス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
前年度に引き続き、直接遷移型半導体であるガリウムヒ素と間接遷移型半導体であるシリコン、ゲルマニウムに対してフェムト秒レーザーで励起したキャリアのテラヘルツ領域の自由電子レーザーによるダイナミクス計測研究を、大阪大学産業科学研究所量子ビーム科学研究施設設置のテラヘルツ自由電子レーザー装置とチタンサファイアレーザーシステムを用いて実施した。
今年度の前半は、前年度に海外学術誌へ投稿したガリウムヒ素の反射特性についての論文の査読結果に従い、論文内容の追加修正のため、追加の実験計測を実施した。その計測結果をまとめて再投稿した結果、当該論文は受理され、雑誌に掲載されている(doi:10.1016/j.nima.2023.168618)。加えて今年度の後半は、前述の論文内で議論したテラヘルツパルス強度に依存した光励起半導体の反射応答についての詳細な計測研究を実施した。利用している自由電子レーザーによるテラヘルツパルスの電場強度は高強度であるため、テラヘルツパルス自身で半導体表面に励起されたキャリアの状態に影響する可能性がある。そのため、照射するテラヘルツパルス強度に対する反射応答を定量的に議論するために本計測研究を実施した。その結果、強度に依存したテラヘルツパルスの反射特性を確認した。
さらに今年度は特に本研究課題提案の主題である、新たな時間分解テラヘルツ計測手法としての、自由電子レーザーの37 ns間隔のパルス列を用いた、シリコン、ゲルマニウムに対するマイクロ秒の時間スケールに至る半導体キャリアダイナミクスに関する高時間分解計測の実験的研究を進めた。これまでのところ、この時間スケールにおいては2体の再結合主要な過程であるという計測結果を得ており、現在、より定量的な議論を進めている。
今年度は本研究課題に関して、前述の学術雑誌論文の他、3件の学術的会合における発表を実施した。
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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
前年度に投稿していた論文について、今年度前半は特に、査読結果に対する追加研究を進め、受理された。ガリウムヒ素だけでなく、シリコンとゲルマニウムについてもテラヘルツパルス列に対する詳細な応答計測を実施し、本研究課題の目的である光励起半導体のテラヘルツパルスによるキャリアダイナミクス研究に必要なデータを収集できている。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度取得したテラヘルツパルスを利用した実験結果を解析し、研究成果を取りまとめることを最終年度である令和6年度に実施する。これまでに利用してきたテラヘルツ自由電子レーザーを含む加速器利用施設が建屋改修のため、令和6年度から２年間程度、利用研究を停止する。それに伴い、解析結果を反映した再計測をすぐに実施することは困難であるため、必要に応じて、京都大学エネルギー理工学研究所や日本大学量子科学研究所の近中赤外自由電子レーザー、フェムト秒レーザー駆動テラヘルツ光源など他施設における追試研究の可能性も検討する。これにより同時に研究範囲の拡大も議論することで、本研究課題の成果と相乗して新たな研究課題提案を進める。
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| Causes of Carryover |
今年度は論文執筆とその追加実験の実施を優先させたため、国内外の学会参加を控えたことと、計画当初に想定していた実験利用マシンタイムよりも割り当てが減少したことにより、旅費や学会参加費、および施設利用費に相当する経費について、次年度使用額が発生した。本経費については、これまでの研究成果についての論文発表や学会発表に必要な経費と、これまでの計測結果を検証するための他施設あるいは自由電子レーザーを利用しない確認・計測実験等に必要な物品購入に充てる。
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