半導体ナノ構造における電子トンネリングの超高速光学検出

本研究の目的は半導体ナノ構造中の電子・正孔のダイナミクスの解明である。3次元系であるバルク半導体では1970年代に電子正孔系が盛んに研究された。バルク半導体中の電子正孔系では電子-正孔対の密度と温度に依存して、電子正孔液体(液相)、励起子ガス(気相)、電子正孔プラズマ(プラズマ相)の物質相が出現し、電子-正孔対の密度と温度を軸とした相図が確立された。しかし2次元、1次元といった低次元系における電子正孔系の研究例は少なく相図は確立されていない。最近、低次元系の相図の理論計算はなされてきたが、実験的に示された例はない。産業界に目を向ければ、デバイスのゲート長はナノメートルサイズとなり、微細化の限界が叫ばれて久しい。限界打破のためにもナノスケールで電子・正孔の物理の確立が喫緊の課題である。例えばナノサイズの光変調器では、電子正孔プラズマの生成・消滅が動作原理に直結しており、低次元系の物質相の物理が必要とされている。このように半導体ナノ構造中の電子正孔系の解明は、サイエンスとテクノロジーの両面から重要である。本研究では、半導体ナノ構造中の物質相を実験的に、具体的には光学測定から明らかにすることを目的とした。半導体ナノ構造として、本研究では厚み25.2～6.1nmのSiナノレイヤーを用いた。Siナノレイヤーの発光スペクトルから、Siナノレイヤー中では電子正孔液体が励起子ガスと共存した状態、すなわち電子正孔液滴が存在することがわかった。電子正孔液滴からの発光強度と励起子ガスからの発光強度を比較すると、低温では光励起密度の増大とともに、電子正孔液滴からの発光強度が増大した。この増大の仕方は、バルク半導体や厚み50nmのSiレイヤーの過去の報告と比較しても大きかった。本研究ではSiナノレイヤーが薄いほど、電子正孔液滴が生成されやすいことを明らかにした。

本研究の目的は半導体ナノ構造中の電子・正孔のダイナミクスの解明である。3次元系であるバルク半導体では1970年代に電子正孔系が盛んに研究された。バルク半導体中の電子正孔系では電子-正孔対の密度と温度に依存して、電子正孔液体(液相)、励起子ガス(気相)、電子正孔プラズマ(プラズマ相)の物質相が出現し、電子-正孔対の密度と温度を軸とした相図が確立された。しかし2次元、1次元といった低次元系における電子正孔系の研究例は少なく相図は確立されていない。最近、低次元系の相図の理論計算はなされてきたが、実験的に示された例はない。産業界に目を向ければ、デバイスのゲート長はナノメートルサイズとなり、微細化の限界が叫ばれて久しい。限界打破のためにもナノスケールで電子・正孔の物理の確立が喫緊の課題である。例えばナノサイズの光変調器では、電子正孔プラズマの生成・消滅が動作原理に直結しており、低次元系の物質相の物理が必要とされている。このように半導体ナノ構造中の電子正孔系の解明は、サイエンスとテクノロジーの両面から重要である。本研究では、半導体ナノ構造中の物質相を実験的に、具体的には光学測定から明らかにすることを目的とした。半導体ナノ構造として、本研究では厚み25.2～6.1nmのSiナノレイヤーを用いた。Siナノレイヤーの発光スペクトルから、Siナノレイヤー中では電子正孔液体が励起子ガスと共存した状態、すなわち電子正孔液滴が存在することがわかった。電子正孔液滴からの発光強度と励起子ガスからの発光強度を比較すると、低温では光励起密度の増大とともに、電子正孔液滴からの発光強度が増大した。この増大の仕方は、バルク半導体や厚み50nmのSiレイヤーの過去の報告と比較しても大きかった。本研究ではSiナノレイヤーが薄いほど、電子正孔液滴が生成されやすいことを明らかにした。