時間・角度分解光電子差分分光による正孔動力学多次元イメージ法の開発
【研究キーワード】
キャリア動力学 / 2光子光電子分光 / 半導体 / 正孔 / シリコン / 励起電子 / ゲルマニウム / III-V族半導体 / 光電子分光 / 発光分光 / 2光子光電子分光 / 正孔動力学 / 角度分解光電子分光 / ポンプ・プローブ法
【研究成果の概要】
2光子光電子分光及び差分分光の手法を用い、光励起後の、1)シリコン価電子バンド構造及び価電子正孔系密度分布の変化、 2)ゲルマニウム・III-V族半導体における伝導帯励起電子系の密度分布変化に関する超高速分光測定を推進している。
1)フェムト秒ポンプ光を3つの異なる光子エネルギーに変換し、正孔を注入する初期分布を変化させた。一方、プローブ光エネルギーを固定し、バルク価電子帯の上端近傍領域での光励起によるバンド構造の超高速変化と正孔密度変化に着目した。
①バルク価電子帯上端及びその領域に存在する表面バンドに直接正孔を注入した場合、励起直後から1.5ps程度の短い時間領域で光電子ピークのエネルギー幅とエネルギーシフトを伴った価電子バンド構造変化と正孔密度の再分布が発生した後、200ps程度の時定数で正孔密度は緩やかに減少することを明確にし、高速緩和現象に関与するキャリア散乱等多体効果に関する知見を得た(令和2年度より継続)。
②令和3年度には、価電子帯上端から1eV程度下の領域まで正孔を注入し、正孔密度分布の時間発展を測定した。その結果、①で観察した2つの緩和形態に加えて、4ps程度の時間スケールで正孔系が価電子帯内を緩やかにエネルギー緩和する現象を明確にした。また、このエネルギー緩和と同じ時間スケールで、表面バンドの正孔密度が増大していくことを確認した。
2)ゲルマニウムの伝導帯に注入した励起電子系について、その後のエネルギー・運動量空間内における超高速緩和過程を追跡した。a)注入された励起電子系は、10fs程度の散乱時定数で広い運動量空間にわたって再配分される事、b)励起電子系の集団は準平衡状態を保持しつつエネルギー緩和し、3ps程度までに伝導帯下端において格子系と熱平衡を達成する事、その後、c)励起電子系は表面バンドに遷移し、バンド内をエネルギー緩和することを明確にした。
【研究代表者】
【研究分担者】 |
東 純平 | 佐賀大学 | シンクロトロン光応用研究センター | 准教授 | (Kakenデータベース) |
深津 晋 | 東京大学 | 大学院総合文化研究科 | 教授 | (Kakenデータベース) |
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【研究種目】基盤研究(B)
【研究期間】2019-04-01 - 2023-03-31
【配分額】17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)