時間分解テラヘルツ分光法を用いた半導体ナノ構造中のダイナミックな伝導現象の解明

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09450138
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 平川 一彦 東京大学, 生産技術研究所, 助教授 (10183097)
• 研究分担者: 荒川 泰彦 東京大学, 先端科学技術研究センター, 教授 (30134638) ; 榊 裕之 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90013226)
• キーワード: テラヘルツ電磁波 / フェムト秒 / プラズマ振動 / コヒーレンス / 半導体ヘテロ構造 / 非定常伝導 / 速度オーバーシュート / コヒーレントフォノン

研究概要

テラヘルツ(THz)領域で動作する素子の実現には、半導体量子構造中などで起きる超高速現象の探索や電子波束のダイナミクスの解明が必要不可欠である。超高速の電子波束の運動は電磁波の放射を伴うため、この電磁波の放射を実時間領域で観測することにより、電子波束の動きを可視化する事ができる。本研究では、半導体ヘテロ構造中の電子のプラズマ振動からのTHz電磁波や高電界を印加した半導体空乏層中を非定常に伝導する電子が放出するTHz電磁波を実時間領域で観測し、そのダイナミクスについて検討を行っている。本年度は、以下のような研究成果を得た;
(1)変調ドープ量子井戸構造中の2次元電子のプラズマ振動が放射するTHz電磁波を観測することにより、2次元ブラズマ振動の励起の機構について検討を行い、吸収端以下の光エネルギーでは誘導ラマン過程が、また吸収端以上の光エネルギーに対しては、光励起キャリアの熱放出が支配的であること、さらにそれらの過程の違いを反映して、励起後のプラズマ振動の位相が90°シフトすることを明らかにした。
(2)広帯域検出器であるボロメータを用いて、帯域20THz、時間分解能50フェムト秒の広帯域テラヘルツ相関測定系を構築した。さらにそれを用いて、高電界を印加した半導体空乏層中を非定常に伝導する電子が放出するTHz電磁波を測定し、電子は加速開始直後は速度オ一バ一シュートの状態にあり、約700fs後に定常速度に達すること、また光励起された電子がコヒーレントに光学フォノンを励起することなどが明らかになった。

研究成果

• [文献書誌] N. Sekine, K. Yamanaka, K. Hirakawa, M. Vosseburger, P. Haring-Bolivar, and H. Kurz: "Observation of terahertz radiation from higher-order two-dimensional plasmon modes in GaAs/AIGaAs single quantum wells"Applied Physics Letters. vol/74,No.7. 1006-1008 (1999)
• [文献書誌] N. Sekine, K. Hirakawa, M. Vosseburger, P. Haring-Bolivar, and H. Kurz: "Excitation process of two-dimensional plasmons excited by femtosecond laser pulses"Microelectronic Engineering. vol.47. 289-292 (1999)
• [文献書誌] N. Sekine. K. Hirakawa. M. Vosseburger. P. Haring-Bolivar, and H. Kurz: "Coherent and incoherent excitation of two-dimensional plasmons in AlGaAs/Gas quantum wells by femtosecond laser pulses"Inst. Phys. Conf. Ser. No.162. 845-848 (1999)
• [文献書誌] K. Tamura, K. Hirakawa, and Y. Shimada: "Drude absorption and electron localization in GaAS/AlGaAs superlattices"Applied Physics Letters. vol.272. 183-186 (1999)
• [文献書誌] S. -W. Lee, K. Hirakawa, and Y. Shimada: "Bound-to-continuum intersubband photoconductivity of self-assembled InAs quantum dots in modulation-doped heterostrures"Applied Physics Letters. vol.75,No.10. 1428-1430 (1999)
• [文献書誌] 平川一彦、川口康、山中宏治、小宮山進: "量子ホール効果を用いた超高度遠赤外光検出"応用物理. vol.68,No.9. 1027-1033 (1999)