京大,ダイヤのキャリア−励起子間の平衡定数測定

京都大学の研究グループは,広帯域テラヘルツ時間領域分光法を用いて,ダイヤモンドにおける励起子と自由キャリア間の平衡定数の精密測定に成功した(ニュースリリース)。

ダイヤモンドは,従来の半導体には見られないその優れた物理特性により,次世代のパワーデバイスや深紫外ダイオードとしての応用に期待が集まっている。

従来の半導体は,電子とホールが束縛状態を形成して中性状態となった「励起子」はイオン化エネルギーが小さいため常温では不安定であり,デバイス設計には現れてこなかった。しかし,ダイヤモンドは励起子が室温でも安定に存在し,デバイス設計で無視できない。

ダイヤモンドにおけるキャリア励起子は不明な点も多く,例えば,キャリアの輸送特性に大きく関わる自由キャリア−励起子間の平衡定数は,従来の発光測定では精密に評価することは難しく,正確な値はわかっていなかった。

そこで研究グループは,自由キャリアや励起子の平衡定数の決定に有力視されている,テラヘルツ時間領域分光法(THz-TDS)に着目した。これは,テラヘルツ電磁波パルスを用いて,物質の複素誘電率を,クラマース クロノニッヒ変換なしに精密に測定する手法。

THz領域の複素誘電率には,自由キャリアのドルーデ応答や励起子内部遷移の吸収が存在し,その応答/吸収の強さから密度を算出することができる。したがって,THz-TDSにより,自由キャリアと励起子の密度を決定することができる。

さらに,自由キャリアから励起子が形成される様子をモニターでき,また,化学平衡に達している時間帯を詳細に調べることができる。この手法により,様々な半導体における自由キャリアと励起子の平衡定数が求められている。

しかし,THz-TDSをダイヤモンドに適用するには,2つの技術的課題があった。1つ目は,従来のTHz-TDSでアクセス可能な周波数領域は,発生/検出に使用している非線形結晶の吸収と分散のため,2-5THzが上限とされており,ダイヤモンド励起子の内部遷移吸収(~15THz)をカバーできない。そこで非線形結晶の代わりに,吸収/分散が小さい空気をTHz発生/検出の媒体にしてこの課題を解決した。

2つ目は,自由キャリアを生成する紫外領域とTHz領域の両方で透明な,試料を冷却する装置の窓がないこと。これには,それぞれ専用の窓を持つ独自のクライオスタットを設計,作成した。

これにより平衡定数の精密測定に成功した。様々な温度・密度に対し,自由キャリアと励起子の存在比率を予測することで,ダイヤモンドのデバイス設計・性能向上の指針に大きく貢献するとしている。

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