2015 Fiscal Year Annual Research Report
非熱平衡状態フォノン輸送制御による半導体光素子の新展開
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25286048
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
石谷 善博 千葉大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60291481)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
篠塚 雄三 和歌山大学, システム工学部, 教授 (30144918)
矢口 裕之 埼玉大学, 理工学研究科, 教授 (50239737)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | フォノン / 励起子 / 量子井戸 / 太陽電池 / 発光デバイス / 時間分解PL |
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成27年度は以下の成果が得られた。理論では、非熱平衡状態のGaNの励起子ダイナミクスを水素原子モデルに基づいて、フォノンの吸放出効果を取り入れた衝突・フォノン・輻射モデルを構築して数値シミュレーションを行った。この結果、励起子では２以上の主量子数p状態を取り入れることにより、格子温度100K程度から励起子解離が急速に進むことが分かり、レーザデバイスで報告された150K程度でGaNの励起子の多くが消失している結果を説明できることが分かった。過渡応答に関する計算では、キャリア励起直後50ps程度の発光の立ち上がりからフォノンの局在状態が評価できることが分かった。実験では、GaN結晶中の励起子の時間分解フォトルミネッセンス測定においてp=2からの発光を解析に入れることにより、高次主量子数状態の励起子温度はp=1の状態の励起子温度より高く、励起後300ps程度の経過後も熱平衡化していないことが分かった。また、この状態でも励起子発光線エネルギーの励起子温度への依存性はなく、励起レーザパルスにより導入されたエネルギーはフォノンを介して高速に励起子運動エネルギーや主量子数状態の励起に使われ、フォノンとしての存在確率は小さいと予測された。局在準位については、GaNの深い準位について、266nmと400nmの2パルス光による励起下での時間分解PL測定を行い、2種の欠陥準位の存在を明らかにし、電子捕獲過程およびフォノン放出過程について理解を進めた。量子井戸からのキャリア放出については、アンドープのAlInP/GaInP‐量子井戸構造においてパルス励起後の時間分解PLおよびフォトカレント(PC)の同時時間分解測定により解析が行われた。その結果、バイアス電圧、励起波長、励起強度を変えることにより量子井戸からのキャリア放出過程・フォノン過程を解析できることが分かった。
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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
非熱平衡状態のバルクおよび量子井戸中のキャリア・励起子ダイナミクスが進んだ。励起子では、非熱平衡状態のダイナミクスについて理論および実験からフォノンと電子系の相互作用の実態が明らかになってきた。量子構造では電流と発光の同時時間分解測定が行われた。本予算における研究項目についておおよそ検討が進んでいる。
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| Strategy for Future Research Activity |
発光素子ではGaN系量子井戸の時間分解分光を欠陥密度の異なる試料で行う。励起波長の選択によりフォノン生成量が変わるとダイナミクスが大きく変わることがH27年度の研究で分かっており、欠陥量によるフォノン散逸速度の変化を観測する。また、バリア組成のことなるAlGaN/GaN系量子井戸構造によりフォノンの輸送効果の解明を進め、高効率発光に対するフォノン制御の方針を提案する。
太陽電池関係では、GaInN系量子井戸について、励起条件やバイアス条件などの制御による量子井戸外への電流取り出し量の変化を観測し、フォノンとの相互作用が増えることによる太陽電池特性の向上度について定量的予測を行う。現在の高効率太陽電池材料であるGaInP系半導体については、ｐｎ接合された量子井戸構造について、検討を行い、電子エネルギーバンドとフォノンバンドの両方を考慮した電流取り出し特性の解釈を行い、フォノン制御による太陽電池特性の向上について提案を行う。
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| Causes of Carryover |
各費目の実支出と予定との少量の誤差がでたため。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
残額は、平成27年度で予定額より支出の少なかった消耗品に充てる予定である。
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