フォノン機能制御による窒化物半導体光素子の基盤科学技術開拓

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H02772
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 石谷 善博 千葉大学, 大学院工学研究院, 教授 (60291481)
• 研究分担者: 三宅 秀人 三重大学, 地域イノベーション学研究科, 教授 (70209881)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: フォノン / THz輻射 / ２波長ラマン分光 / 表面マイクロ構造 / 励起子ダイナミクス

研究実績の概要

半導体表面のストライプ型メサ構造でメサ底部に金属蒸着した試料からのTHz波輻射では，アンドープGaAsの縦光学（LO）フォノン共鳴輻射に加え，ｎ型GaAsでLOフォノン‐プラズモン結合(LOPC)モード共鳴の輻射，間接遷移型のｎ型GaPでLOPCモードでなくLO共鳴の輻射が得られた。またGaInPではGaP様・InP様LOモードに共鳴する2ピークを持つ輻射が得られた。これらの結果は，間接遷移型混晶半導体の光励起による2種LOモードの生成と価電子帯間遷移の量子干渉による電磁誘起透明化に伴うTHz帯電磁誘起透明化が可能であること，具体的にAlInPが対象となることを示す。
励起子安定性では，フォノン過程を取り入れた我々の励起子ダイナミクス計算コード（PXRモデル）により，励起子輻射再結合速度の温度依存性に対する支配要因を解明した。発光層の適量のｎ型ドープにより輻射再結合速度を最大化できることを示した。金属/半導体－表面ストライプにより励起子運動量を変調できることが分かった。しかし，制御方法で未解明点が残り，これは今後の課題である。量子井戸からのキャリア取出しでは，フォトルミネッセンスと光電流の同時測定が可能となったが詳細の制御課題は残った。
フォノン整流では，結晶界面欠陥の影響が課題となった。GaInN/GaN界面の格子不整合転位でフォノン輸送が妨げられることがラマンイメージングから分かり，温度上昇の定量評価方法が開拓された。この結果は，Appl. Phys. Lett.誌で注目論文指定となった。超格子界面を用いたLOモード輸送制御では，ラマン装置環境温度安定性が1℃では不十分で，更なる安定化とマッピング像補正解析が必要となった。このため，LOモード状態密度の不連続性制御が2種AlInN/GaInN超格子界面で可能なことが理論的に示されたが，実験的には今後の課題となった。

現在までの達成度 (段落)

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和元年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Energy transport analysis in a Ga0.84In0.16N/GaN heterostructure using microscopic Raman images employing simultaneous coaxial irradiation of two lasers (2020)
  • 著者名/発表者名: Shungo Okamoto, Naomichi Saito, Kotaro Ito, Bei Ma, Ken Morita , Daisuke Iida, Kazuhiro Ohkawa, and Yoshihiro Ishitani,
  • 雑誌名: Applied Physics Letters, 巻: 116 ページ: 142107,1-5
  • DOI: https://doi.org/10.1063/5.0003491
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Charge transfer processes related to deep levels in free standing n-GaN layer analyzed by above and sub-bandgap energy excitation (2020)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Uehara, Moe Kikuchi, Bei Ma, Hideto Miyake, Yoshihiro Ishitani
  • 雑誌名: Applied Physics Express 巻: Undecided ページ: Undecided
  • DOI: Undecided
  • 査読あり
• [雑誌論文] Temperature and laser energy dependence of the electron g-factor in intrinsic InGaAs/InAlAs multiple quantum wells (2019)
  • 著者名/発表者名: K. Morita, A. Okumura, H. Takaiwa, I, Takazawa, T. Oda, T. Kitada, M. Kohda, and Y. Ishitani
  • 雑誌名: Applied Physics Letters , 巻: 115 ページ: 012404,1-4
  • DOI: https:/doi.org/10.1063/1.5100343
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of LO and LA phonon processes on thermal-nonequilibrium excitation and deexcitation dynamics of excitons in GaN, AlN, and ZnO (2019)
  • 著者名/発表者名: Kensuke Oki and Yoshihiro Ishitani
  • 雑誌名: Journal of Applied Physics 巻: 125 ページ: 205705
  • DOI: https://doi.org/10.1063/1.5092620
  • 査読あり
• [雑誌論文] Statistics of excitonic energy states based on phononic-excitonic-radiative model (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Ishitani, Kensuke Oki, and Hideto Miyake
  • 雑誌名: Japanese Journal of Applied Physics 巻: 58 ページ: SCCB34
  • DOI: https://doi.org/10.7567/1347-4065/ab09e2/
  • 査読あり / オープンアクセス
• [学会発表] 電子‐フォノン相互作用およびフォノン輸送のミクロ評価 (2020)
  • 著者名/発表者名: 石谷善博
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
  • 招待講演
• [学会発表] 輻射性励起子減衰寿命の温度依存性への非輻射再結合の影響 (2020)
  • 著者名/発表者名: 地﨑 匡哉，大木 健輔，馬ベイ，森田 健，石谷 善博
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] ｎ型間接遷移半導体GaP表面マイクロストライプ構造による中赤外輻射 (2020)
  • 著者名/発表者名: 林鴻太朗, 田中大智, 海老澤啓介, 相原 望, 米本拓郎，Hnin Lai Lai Aye, 森田 健, 馬 ベイ, 石谷善博
  • 学会等名: 第67回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Microscopic analysis of heat transport at GaInN/GaN heterointerface with misfit dislocations by two-wavelength Raman measurements (2019)
  • 著者名/発表者名: Shungo Okamoto, Bei Ma, Ken Morita, Daisuke Iida, Kazuhiro Ohkawa, and Yoshihiro Ishitani
  • 学会等名: The 9th Asia-Pacific Workshop on Widegap Semiconductors
  • 国際学会
• [学会発表] Longitudinal Optical Phonon Resonating Dipole Radiation from Metal- Semiconductor Composite Structures and Quantum Interference (2019)
  • 著者名/発表者名: Yoshihiro Ishitani, Keisuke Ebisawa, Daichi Tanaka, Nozomi Aihara, Bei Ma, and Ken Morita
  • 学会等名: IRMMW-THz 2019
  • 国際学会
• [学会発表] Deep level luminescence of HVPE grown GaN by below-bandgap photo-excitation (2019)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Uehara, Moe Kikuchi, Bei Ma, Ken Morita, Hideto Miyake, and Yoshihiro Ishitan
  • 学会等名: ICNS-13
  • 国際学会
• [学会発表] Functional metal-GaN micro-stripe structures for infrared and ultraviolet regions (2019)
  • 著者名/発表者名: Tsubasa Yamakawa, Bojin Lin, Kensuke Oki, Bei Ma, Ken Morita, Yusuke Hayashi, Hideto Miyake, Kazuhiro Ohkawa
  • 学会等名: ICNS-13
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of highly Si-doped GaN using various lattice vibration modes observed by infrared and Raman spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Bei Ma, Ming Chuan Tang, Ken Morita, Yoshihiro Ishitani, Kohei Ueno, Atsushi Kobayashi, Hiroshi Fujioka
  • 学会等名: ICNS-13
  • 国際学会
• [学会発表] Local phonon analysis in InGaN film by mapping of Raman spectroscopy (2019)
  • 著者名/発表者名: Shungo Okamoto, Naomichi Saito, Bei Ma, Kensuke Oki, and Ken Morita, Kazuhiro Ohkawa, and Yoshihiro Ishitani
  • 学会等名: Compound Semiconductor Week
  • 国際学会
• [学会発表] Analysis of emission characteristics of deep levels in GaN by direct photo excitation (2019)
  • 著者名/発表者名: Moe Kikuchi, Daisuke Uehara, Bei Ma, Ken Morita, Hideto Miyake, and Yoshihiro Ishitani
  • 学会等名: Compound Semiconductor Week
  • 国際学会
• [学会発表] 2LOフォノン-価電子帯間電子遷移系量子干渉の理論解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 相原 望，田中大智，馬 ベイ，森田 健，石谷善博
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] GaAs-金属ストライプ構造からのLOフォノン共鳴赤外輻射特性の構造依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 海老澤 啓介，馬 ベイ，森田 健，大木 健輔，石谷 善博
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] ２波長ラマン分光を用いたフォノン輸送評価における測定モード依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 岡本 駿吾，伊藤航太郎，馬 ベイ， 森田 健，飯田 大輔， 大川 和宏，石谷 善博
  • 学会等名: 第80回応用物理学会秋季学術講演会
• [学会発表] 価電子帯間遷移－2種LOフォノン系における量子干渉の理論解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 原 望，田中大智，森田 健，馬 ベイ，石谷善博
  • 学会等名: 第3回フォノンエンジニアリング研究会
• [学会発表] GaAs-金属ストライプ構造からのLOフォノン共鳴赤外輻射特性の構造依存性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 海老澤 啓介，田中 大智，森田 健，馬 ベイ，石谷善博
  • 学会等名: 第3回フォノンエンジニアリング研究会
• [学会発表] 赤外及びラマン分光法による高密度SiドープGaN薄膜の評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 馬ベイ, 湯明川, 上野耕平, 小林篤, 藤岡洋, 石谷善博
  • 学会等名: 第11回 ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
• [学会発表] LOフォノン-価電子帯間遷移の量子干渉による結晶評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 相原望, 田中大智, 森田健, 馬ベイ, 石谷善博
  • 学会等名: 第11回 ナノ構造・エピタキシャル成長講演会
• [図書] 2020年度版 薄膜作製応用ハンドブック (2020)
  • 著者名/発表者名: 分担執筆 石谷善博
  • 総ページ数: 担当 p.p. 753 - 760
  • 出版者: NTS
• [備考] 千葉大学量子物性デバイス研究室
  • URL: http://photonics.te.chiba-u.jp/index.html