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本研究では、ワイドギャップ半導体ナノ構造の励起子及び電子正孔相の高密度励起状態を明らかにし、バルク結晶にはない新しい高密度凝縮状態を探索することを目的とした。この研究目的を達成するために、サイズ制御性の優れる半導体量子井戸構造や基板上に成長させた混晶薄膜を試料として用いた。
量子井戸の井戸層の異なるAl_xGa_<1-x>N/Al_yGa_<1-y>N多重量子井戸構造を用意し、井戸層を操作することで界面ゆらぎの空間的・エネルギー的な大きさをナノサイズで系統的に制御することを試みた。実験法としては、ストリークカメラによる時間分解発光測定システムを用いて、波長可変レーザー励起されたAl_xGa_<1-x>N/Al_yGa_<1-y>N多重量子井戸からの発光スペクトルを測定した。この実験を様々なレーザー励起密度で行い、スペクトル形状と発光寿命を解析した。井戸幅を励起子半径に対して狭い場合、広い場合両方のケースで測定することにより、ナノ構造中の高密度励起状態を系統的に評価した。発光の励起密度依存性を評価することで、井戸厚が励起子半径より狭い場合は励起子分子は正の束縛エネルギーを、井戸厚が励起子半径より厚い場合は励起子分子が負の束縛エネルギーを持つことがわかった。このような現象は、井戸厚が厚い試料では内部電場によって電子と正孔が空間的に分離し、励起子分子を構成する電子-電子間、正孔・正孔間の斥力相互作用が強く働くため生じると考えられる。量子井戸によって制御可能な閉じ込め効果を導入し、閉じ込め状態の電子-正孔間の相互作用を調べることで、混晶特有の局所ポテンシャルの空間的な広がりの大きさなどについて、新たな知見が得られることを示した。
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