| 研究課題/領域番号 |
16H04648
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| 研究機関 | 宮崎大学 |
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研究代表者 |
福山 敦彦 宮崎大学, 工学部, 教授 (10264368)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2021-03-31
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| キーワード | 非破壊非接触評価法 / 非発光再結合検出 / 量子ナノ構造 / ヘテロダイン型干渉系 / モノダイン型干渉系 |
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| 研究実績の概要 |
量子ナノ構造でのミニバンド形成やキャリア発生、再結合、輸送といった基礎物性評価を目的として、キャリアの非発光再結合過程に着目する。光ヘテロダイン微小振動測定技術を申請者らがこれまで開発してきた光熱変換分光法に導入しすることで非破壊非接触且つ高感度な非発光再結合検出技術を新たに実現する事が本研究の要旨である。
平成28年度は、光ヘテロダイン型PPT測定システムの基礎構築を行った。光ヘテロダイン微小振動測定技術は異なる周波数をもつ二つのレーザーのドップラー効果を利用して微弱な信号を非接触かつ高感度に測定する技術であるが、複雑な光軸調整が必要でPPT信号が得られるかどうか未確定である。そこでまずは光軸レイアウトがシンプルなモノダイン型光学系を導入する。ただしこれら光学システムは市販されていないため、当該光学システムを設計・作製可能な業者の実験室において、基礎的なシステムを構築して実際にどの程度の表面変位を検出できるかの確認実験を行った。その結果、2～3 nmの検出精度があることを確認できた。次にIII-V族半導体GaAsウエハ表面に波長800 nmのレーザー光を励起光源として照射した。照射されたレーザーはGaAs表面近傍で吸収され電子－正孔対を形成する。電子－正孔対が非発光的に再結合すればフォノン（熱）を放出するため試料表面が膨張する。励起レーザー光をチョッパー等で断続化すれば、表面も同一周波数で振動する。この表面振動を先のモノダイン振動検出できればよい。今回の測定条件下ではGaAs表面に5 nm程度の変位が生じていることが実験的に確かめられた。
システムの有効性が確認できたことから表面変位検出システムの見積・発注を行った。納品後に改めてGaAs試料の表面変位検出が可能かどうかを確認したところ、20 mW/cm-2のレーザー照射時に1 nmの表面変位が測定できることを確認できた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
光ヘテロダイン型表面検出は複雑な光軸調整が必要なため、まずは光軸レイアウトがシンプルなモノダイン型光学系を導入した。その結果、システムとして2～3 nmの検出精度があることを確認できた。次にIII-V族半導体GaAsウエハ表面に波長800 nmのレーザー光を励起光源として照射した際の表面変位検出を試みた。励起レーザーはGaAsのバンドギャップ以上のエネルギーであるため表面近傍で吸収され電子－正孔対を形成する。形成された電子－正孔対の非発光再結合によって放出された熱が試料表面を膨張させる。励起レーザー光をチョッパー等で断続化すれば、表面も同一周波数で振動する。この表面振動が本研究で検出すべき光熱変換信号である。
システム納品後の実験環境にて表面変位を検出したところ、モノダイン型光熱変換信号を感度よく検出でき、基準データとの比較から、今回の測定条件では20 mW/cm-2のレーザー照射時に1 nmの表面変位が測定できることを確認できた。従来法としては表面変位を光反射や表面の屈折率変化によって検出していたが、検出分解能は数十ミクロンが限界であった。今回の構築で大幅に検出感度を向上できることが示されたことから「おおむね順調に進展している」と判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
初年度（平成28年度）に導入した表面変位検出システムは、単一の周波数を用いたモノダイン型光学系である。これは表面変位測定の分解能等の基本性能を明確化にするためで、ピエゾモーター上に設置したサンプル台をナノメートルオーダーで変位させた場合のビート信号および出力電位差を測定し、変位量と出力電圧の相関図を作成する。これが今後の基本データとなり、以下の作業を行う。
（１）GaAsやSi等、既に光熱変換信号のデータ蓄積が済んでいる標準サンプルを用いて、モノダイン信号を測定し、光熱変換による変位量の定量評価を行う。
（２）平行して理論計算も行い、計算値と上記実験値の比較から定量評価に関わる諸問題を明確にする。具体的には検出光チョッピング周波数や照射レーザー波長、照射レーザー強度とビート信号出力電位差の相関関係の明確化である。この結果、これまで取得できなかった、光励起キャリアの非発光再結合による発熱量（表面変位量）の定量評価が可能となる。
（３）信号解析について問題等が発生した場合には、光熱変換法の理論的解析を精力的に実施しているトロント大学機械工学科のMandelis教授やパリデカルト大学のTessier教授と電子メールを中心とした継続的な議論を行い、問題点をクリアにする。
（４）周波数変調器を導入して、システムをヘテロダイン型干渉計へと改良を実施する。この結果、表面変位分解能はモノダイン型よりも一桁程度向上することが期待できる。導入は第２四半期を予定しており、モノダイン型表面変位検出システムの場合と同様に、各種基礎データ取得を今年度いっぱいかけて行う。
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