| 研究課題/領域番号 |
18K13791
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
市川 修平 大阪大学, 超高圧電子顕微鏡センター, 助教 (50803673)
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| 研究期間 (年度) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 光電子分光 / 時間分解 / 表面再結合 / 角度分解 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では、表面に敏感な紫外光電子分光測定において時間分解二光子光電子分光測定系を構築し、半導体の表面再結合速度の同定を目指している。
研究3年目にあたる本年は、前年度までに構築した時間分解測定系に加えて、電子状態をより詳細に評価できる角度分解機能を付随させ、時間・角度分解光電子分光測定系への拡張を試みた。測定系を評価するために、GaAs(110)表面に対して励起電子の短寿命緩和過程を評価した。励起光源としてTi:Sappレーザー(パルス幅: ~100 fs、繰り返し周波数: 80 MHz) を用い、GaAsのバンドギャップエネルギーよりも僅かに大きなエネルギーを持つ基本波(波長800 nm)をポンプ光として利用した。さらに第二高調波と基本波の和周波により得られた第三高調波（波長266 nm)をプローブ光として用い、Mach－Zehnder干渉計により光路差を形成した後、それぞれのパルス光を試料表面に入射した。
角度分解測定の結果から、ポンプ光照射後に波数0付近に励起電子の分布が確認できた。このΓ－valley内に励起された電子について上記測定系を用いて選択的に時間分解測定を行った結果、Γ－valley内の非平衡励起電子は、Frohlich相互作用によって時定数0.61 psで伝導帯下端へと緩和していくことが確認された。その後、伝導帯下端付近の光電子強度の減衰曲線を単一指数関数フィットすることで、伝導帯下端付近の電子寿命を見積もり、表面再結合を反映したSRH型再結合寿命が380 ps程度であることを明らかにした。このキャリア再結合寿命は、GaAs(110)の表面自然酸化状況を変化させることで変化し、表面酸化によって表面再結合が促進されることを見出した。
また、ワイドギャップ半導体のGaNフォトニック結晶構造に対する発光特性評価も行い、表面再結合を示唆する結果が得られた。
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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
これまでの時間分解測定系に加えて、電子状態をより詳細に評価できる角度分解機能を付随させ、時間・角度分解光電子分光測定系への拡張を試みた。E-k分散の情報と共に時間分解測定が可能となったことで、表面再結合速度の同定に重要な、伝導帯下端付近の電子の緩和過程の選択的評価が可能となった。
実際に、GaAs表面の自然酸化膜の有無に対して行った、角度・時間分解測定の結果から、GaAs表面の自然酸化膜が表面再結合を促進していることを明らかにした。また、ワイドギャップ半導体のGaNを用いたナノ構造作製も同時進行で行い、表面再結合が発光特性に大きく影響を与えていることも見出した。
今後の展望も含めて、研究は極めて順調に進行している。当初の研究計画に比べて遅れは生じていない。
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| 今後の研究の推進方策 |
研究3年目にあたる本年は、時間分解測定系に加えて、電子状態をより詳細に評価できる角度分解機能を付随させ、時間・角度分解光電子分光測定系への拡張を行った。伝導帯下端付近の電子の選択的寿命評価が可能であることが実証されたため、表面再結合寿命の可能な測定系が整いつつあることが確認できた。特に、GaN系半導体の微細加工技術も成熟してきたことから、最終年度は、研究の最終ターゲットである、「ワイドギャップ半導体材料における表面再結合寿命」の実評価に向けて研究を推進する予定である。
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