ファノ共鳴下におけるp型シリコンのフォノン緩和定数の決定

加藤景子 小栗克弥 眞田治樹 俵 毅彦 寒川哲臣 後藤秀樹
量子光物性研究部

 電子デバイスの微細化が進むにつれ、デバイス内部で発生した熱がデバイスの性能向上を阻害するようになってきている。このため、さらなるデバイスの高性能化に向けては熱の制御が必要であり、熱の輸送を司る光学フォノンの緩和過程を解明するために緩和定数を決定することが重要である。従来、光学フォノンの緩和定数はラマン分光によって決定されていたが、不純物が添加された場合、特にp-type Siでは、ファノ共鳴によってフォノンの緩和定数を決定することが困難であることが知られている[1]。そこで本研究では時間分解分光計測によりファノ共鳴下のp-type Siのフォノンの緩和定数を決定した[2]。
 パルス幅10 fs、中心波長780 nmのTi:sapphireレーザを光源とし、p-type Siにおいて時間分解反射率測定[図1(a)]を行った。また、同サンプルに対し、連続レーザ光(波長780 nm)を用いてラマン分光計測を行ったところ、ファノ共鳴による非対称なスペクトルが観測された[図1(a)挿入図]。時間分解分光計測とラマン分光計測によって得られたフォノンの緩和定数(以下、Γcp ならびにΓRamanとする)を比較すると[図1(b)]、Γcp の温度依存性は非調和緩和モデル[3]に従ったが、ΓRamanは異なることがわかった。ΓRamanは、ファノ共鳴によってスペクトルが広がるため[1]、非調和緩和モデルからずれたと考えられる。一方、スペクトルの広がりを生み出す連続状態の緩和過程とフォノンの緩和過程とは、それぞれの寿命に大きな違いがあるため[4]、時間分解分光計測では両者を分別して観測できる。よって、時間分解分光計測で得られたフォノンの寿命はファノ共鳴の影響を受けることがないため、Γcp の温度依存性は非調和緩和モデルに従ったと考える。本研究により、ファノ共鳴下におけるフォノンの緩和定数の決定において、時間分解分光計測が有効であることが示された。

図1 (a) p-type Siの過渡反射率。挿入図はp-type Siのラマンスペクトル。(b)フォノンの緩和定数の温度依存性。白丸はラマン計測、黒丸は時間分解計測による結果を示す。点線は非調和モデルによるフィット結果。