半導体超格子におけるテラヘルツ利得の増強と電場効果制御

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 25707026
• Research Institution: Nagaoka University of Technology
• Principal Investigator: 鵜沼 毅也 長岡技術科学大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20456693)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 半導体超格子 / テラヘルツ

Outline of Annual Research Achievements

本年度の補助金で購入された顕微測定用クライオスタットをテラヘルツ時間領域放射分光システムへ挿入し，半導体超格子の試料温度を摂氏-269度から227度までの範囲で調節できるようにした。これと併せて測定周波数範囲を広げることを図りつつ，分光システムを拡張した。異なる複数の試料温度でテラヘルツ放射波形を測定することによって，キャリアの複素伝導度スペクトルに対する熱励起や散乱の影響を調べた。

直流電場の印加された超格子試料において，フェムト秒光パルスで作られたキャリアは高速にブロッホ振動を行い，複素伝導度スペクトルの実部に負の領域（電磁波の増幅利得を意味する領域）をもたらす。昨年度までに得られた室温での実験結果を補強するため，段階的に試料温度を下げながらテラヘルツ放射波形を測定したところ，直流印加電場に対するパワースペクトルの変化がより明確に現れた。さらに，励起波長に対するブロッホ振動の位相の振る舞いが試料温度によって異なることが分かってきた。この結果は，温度と共に割合の増えるキャリアの熱励起や散乱の影響を反映していると考えられ，キャリアの反転分布を伴わないブロッホ振動が持つ増幅利得の本質を解き明かす上で重要である。

現在，ブロッホ周波数にプランク定数を掛けた量と絶対温度にボルツマン定数を掛けた量の関係等に着目しながら，印加電場依存性および温度依存性の実験と解析を進めている。それを次年度へ継続し，得られる知見を試料構造にフィードバックしながら，テラヘルツ利得を制御していく。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

テラヘルツ時間領域放射分光システムへクライオスタットを予定通りに組み込み，GaAsとAlAsをベースにした半導体超格子の試料温度を変化させることによって，直流電場下のブロッホ振動の本質に関わる興味深い実験結果が得られている。半導体超格子の有するテラヘルツ利得の長所を引き出すためのポイントが明確になりつつあり，想定された技術的ハードルも越えてきており，次年度に追加実験や解析によって議論をさらに深めていくことができる状態である。以上のことから，総合的に，目的の達成に向けて研究が順調に進展していると評価される。

Strategy for Future Research Activity

研究代表者の所属研究機関が変更されたことにより，本研究に割り当てることのできる実験スペースが次年度から大幅に増えるので，それを生かして実験の効率をさらに高め，目的にかなった超格子構造の試作・評価サイクルを回していく。次年度も引き続き実施するフェムト秒レーザーを用いたテラヘルツ時間領域放射分光においては，直流電場，試料温度，励起波長，励起パルス幅といった多数のパラメータが存在するので，それらの自由度を上手に組み合わせることによって，本年度に得られた成果を深化させていく。試料作製においては，設計通りの品質で構造を用意することが非常に重要であり，光電流スペクトルや顕微鏡イメージなどの多角的な評価結果を併せてフィードバックしていく。上記の両輪を最大限に稼働させ，ブロッホ振動によるテラヘルツ利得の長所を確立すべく研究を推進する。

Causes of Carryover

本年度の途中（平成26年11月1日付）で研究代表者の所属研究機関が変更されたことに伴い，実験に用いることのできる機器やスペースに変化が生じたので，研究目的を達成する上で不可欠な物品を助成金によって順次追加した。その結果，研究計画をおおむね予定通り進めることができ，やや懸念された費用の増大も予想より抑えることができた。実験を引き続きスムーズに遂行するために，初年度に購入した超短パルス一体型モードロックチタンサファイアレーザーの動作を再設置場所でも良好に保つことが極めて重要である。レーザーについては動作の状態および付属品の消耗度合いが気候（温度と湿度）に敏感であることが知られているので，特に次年度10月頃までの気候を注視しながら，物品の補充・交換や調整作業を行うことが求められる。上記の理由から，物品等の追加発注を次年度に実施することが適当であると判断したため，助成金の次年度使用額が生じた。

Expenditure Plan for Carryover Budget

超短パルス一体型モードロックチタンサファイアレーザーについて，専用消耗品の購入や調整作業が必要になったときには即座に対応する。実験の進行に伴って，測定においてはクライオスタットへ流す寒剤（液体ヘリウムおよび液体窒素）を相当量消費する見込みであり，学内で調達することが困難であるため学外から購入することを予定している。また，試料作製においては半導体材料，真空部品などを随時購入することを予定している。実験の進行状況を十分に見極めながら，次年度の補助金と合わせて助成金を有効活用する。