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本申請研究では、超高効率太陽電池への応用が期待される多層積層量子ドットを対象とし、バンドギャップエネルギーの2倍程度のエネルギーである可視光で励起した場合の光励起キャリアと励起子のダイナミクスを測定することで、共鳴的な発光増強の起源を明らかにすることを目的としている。
一般的な半導体量子ドット材料であるInAsは、バンドギャップエネルギーが1.3μm近傍の波長帯に存在する。平成21年度は、まず可視光で励起した場合の発光増強が生じる波長帯を明らかにするために、広帯域なスペクトル幅を有する光源からの光を分光器により分解し、試料に照射した。試料には、歪み補償して30層積層したInAs量子ドットを用いた。この試料の励起子特性という観点において重要な点は、スペーサー層が薄くなると成長方向の相互作用のため、振動子強度が低下し、励起子寿命が長くなることである。
発光スペクトルを様々な励起光エネルギーで測定した結果、およそ0.6μm近傍に幅広いピークを有する光吸収帯が存在することが明らかになった。このエネルギーは、量子ドットにおける高次の励起子準位によるものであると考えられる。また、励起子基礎エネルギーの異なる試料で同様の測定を行った結果、このピークエネルギーが変化したことは、我々の考察を裏付けていると考えられる。
また、この温度依存性を測定した結果、励起子寿命が短い試料では、バンド内緩和プロセスが変化しないが、長い試料では変化が生じた。これは、面内でのキャリア移動過程が影響している。さらに、この準位を共鳴励起した場合に、発光減衰時間が大きく変化した。この結果は、この準位が励起子と密接に関係していることを示唆している。これらの結果は、光吸収エネルギーが低いInAs量子ドットにおいて、高次の励起子準位を利用することで高い変換効率を有する太陽電池が実現できる可能性を示唆していると考えている。
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