半導体ナノ構造の励起子多体効果:局在性と非局在性の競合

半导体纳米结构中的激子多体效应：局域化与离域化之间的竞争

基本信息

批准号：
09J02132
负责人：
平野大輔
金额：
$ 1.28万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2010
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究ではワイドギャップ半導体ナノ構造の励起子及び高密度励起状態を明らかにし、バルク状態にない新しい高密度凝縮状態を探索することを目的とした。GaN/AIGaN多重量子井戸構造の障壁層と井戸層の膜厚をナノサイズで系統的に制御した試料の発光特性を研究した。励起子分子を構成する電子と正孔の空間分布を量子閉じ込めシュタルク効果で分離することで、励起子分子の束縛エネルギーを制御できることを示した。励起子束縛エネルギーの評価により励起子分子の空間的な広がりを明らかにした。さらに、新しい電気デバイス・光学デバイス材料として期待され、ナノスケール周期構造を持つワイドギャップ半導体4H-SiCの光学的性質を解明した。間接遷移型半導体である4H-SiCは発光効率が低いため発光ダイナミクスの詳細な解析は困難だったが、繰り返し周波数が高い波長可変レーザーにより、高密度光励起状態の発光ダイナミクスの詳細な研究が可能になった。高密度電子正孔状態では電子正孔液的、電子正孔プラズマ、励起子が平衡相を形成することを実験的に示した。複雑な発光スペクトルを見せるため解析が困難だった臨界温度付近の平衡相の成分が、発光の立ち上がり時間によって決定できることを明らかにし、平衡相の密度と温度依存性を記述する相図を決定した。ワイドギャップ半導体で強く働く電子正孔間の相互作用が、間接遷移型半導体では遮蔽されるため、バンドギャップリノーマリゼーションが小さいことが分かった。高密度励起状態の光学特性が明らかになったことで、ワイドギャップ半導体ナノ構造の励起子多体効果と電子正孔状態の基礎的な知見を得た。

这项研究的目的是澄清宽禁带半导体纳米结构中的激子和高密度激发态，并探索体态中不存在的新的高密度凝聚态。我们研究了 GaN/AlGaN 多量子阱结构样品的发光特性，其中势垒层和阱层的厚度被系统地控制在纳米级。我们证明，可以通过利用量子限制斯塔克效应分离构成激子分子的电子和空穴的空间分布来控制激子分子的结合能。通过评估激子结合能阐明了激子分子的空间分布。此外，我们还阐明了4H-SiC的光学特性，4H-SiC是一种具有纳米级周期性结构的宽禁带半导体，有望成为电气和光学器件的新材料。由于发射效率低，对间接跃迁半导体 4H-SiC 的发射动力学进行详细分析一直很困难，但是具有高重复率的波长可调谐激光器使得对高重复率的发射动力学进行详细研究成为可能。 -密度光激发态。实验表明，在高密度电子空穴状态下，电子空穴液体、电子空穴等离子体和激子形成平衡相。我们发现，由于发射光谱复杂而难以分析的临界温度附近的平衡相的成分可以通过发射的上升时间来确定，并确定了描述平衡相的密度和温度依赖性的相图。平衡阶段。研究发现，在宽禁带半导体中很强的电子和空穴之间的相互作用在间接跃迁半导体中被阻挡，导致小带隙重整化。通过阐明高密度激发态的光学性质，我们获得了宽禁带半导体纳米结构中激子多体效应和电子空穴态的基础知识。