青色の半導体レーザーの開発が注目を浴びるようになるにつれて、ワイドギャップの半導体であるII-VI族半導体の研究が盛んになってきたが、II-VI族半導体自体はそれほど新しい物質ではなく、過去に帯間吸収の実験を通して様々な物性、基礎物性量が調べられてきた。最近ではII-VI族半導体低次元系での磁気光学的研究などが行われており、良質な試料が作成できるようになってきた。

　しかしながらII-VI族半導体はワイドギャップという特徴だけでなくIII-V族半導体に比べてイオン結晶的な側面を持っていることで電子と縦型光学フォノンとの強い相互作用、すなわち大きなポーラロン効果を期待できる点においても非常に興味深い物質である。応用上の観点からもその基礎物性量に関する情報が必要不可欠になると考えられるが、特に有効質量に関しては不明な点が多かった。これはII-VI族半導体が低易動度で且つ有効質量が大きい為にサイクロトロン共鳴の実験が困難であったことやポーラロン効果が含まれてくるため必然的に解析が複雑になるといったことにあると思われる。実際、II-VI族半導体のサイクロトロン共鳴実験は縦型光学フォノンエネルギーよりはるかに低いエネルギー領域にのみ限られ、そこから得られる有効質量がポーラロン有効質量であるためにバンド端の有効質量を直接知ることが不可能であった。

　メガガウス領域の磁場を用いることはサイクロトロン共鳴条件を満たすことのみならず、更には縦型光学フォノンエネルギーを挟む広範なエネルギー領域(0.6meV〜230meV)での測定を可能とする。これより有効質量のエネルギー依存性についての情報を得ることができるので電子格子相互作用を表すFrohlichハミルトニアンを摂動として計算したサイクロトロンエネルギーと実験結果と比較することでバンド端の有効質量m^*_b及び電子格子相互作用結合定数を正確に決定することができる。そこで本研究はII-VI族半導体n-ZnS,n-ZnSe,n-CdS,n-CdSe及びその混晶系の超強磁場(〜500T)でのサイクロトロン共鳴の測定を通して有効質量を決定する事を一つの目的としている(図1)。

図1

　また縦型光学フォノンエネルギーの前後で起こる共鳴ポーラロン効果等、電子格子相互作用に関する知見も得ることができる(図2)。

図2

　これまでポーラロンの理論的研究は古くから行われており、特にFeynmannの経路積分の方法に基づく理論は結合定数を連続的に扱えるという点も含めて非常に成功をおさめている。最近の研究では特に興味深いのは強磁場中においてポーラロンの有効質量の相転移が起こることがベルギーのPeetersとDevreeseによって理論的に示されていることである。そこで本研究は電子格子相互作用の比較的大きいII-VI族半導体のサイクロトロン共鳴を通して、相転移を含めたポーラロンの研究を行うことをもう一つの目的とする。

　通常こうした研究は様々な条件的な制限(移動度、共鳴磁場、温度等)があるために通常発生しうるような磁場領域ではサイクロトロン共鳴実験はほとんど不可能であるが、100Tを越えるような超強磁場を用いることで初めてII-VI族半導体でこうした研究が可能となった。

　本研究において様々な強磁場発生方法を用いた。特に100Tを越える超強磁場の発生方法は破壊的な方法でパルス幅も10sと短い。そのため特に高速の増幅器や検知器、記録機が必要となる。光源には炭酸ガスレーザーやFIRレーザーといった遠赤外及び赤外レーザーを用いた。

　試料は全てn型で、n-CdS,n-CdSeについては気相成長法で作ったものを用いている。キャリアー数は約3^*10⁺¹⁵cm^-3で主には試料中のvacancyから生成されていると思われる。またZnCdSe/ZnSeの多重量子井戸はMBEで成長させたものでキャリアーの面密度は4^*10⁺¹²cm^-2と推定される。

　n-CdS,n-CdSeについては高エネルギー領域で非常に複雑な、通常考えられるような単純なモデルでは説明の付かないスペクトルの振る舞いが見られ、縦型光学フォノンを伴うPhonon Asisted Harmonicサイクロトロン共鳴と思われる吸収が見られている(図3)。

図3

　図3からは更にサイクロトロン共鳴の共鳴磁場の温度変化が著しいことも分かる。室温から低温に移るに連れてサイクロトロン共鳴の共鳴位置が高磁場側に移動して70K程度のところから急激に低磁場にシフトする。こうした異常が電子格子相互作用に関係していることが強磁場中のポーラロン理論から指摘されており、この温度変化がポーラロン有効質量の相転移に関連した変化であることが明らかになった。

　またn-CdSは圧電相互作用が比較的大きいということからも注目されており、低エネルギー領域においてピエゾポーラロンの存在が指摘されていた。しかしながら様々なフォノンとの相互作用が存在するためにその実験結果の解析は困難で、様々な異常を明らかにできないままになっていた(図4)。そこで今回サイクロトロン共鳴の波長依存性を詳しく調べることでT＝4.2K近傍の共鳴は伝導帯の電子によるものではなく、伝導帯に極めて近い、非常に浅いトラップに束縛された電子による共鳴であることを明らかにした。またT＝40Kまでの共鳴磁場の移動はそのトラップから伝導帯へ電子が励起されている様子に対応していることが明らかになった。

図4

　更にそれ以上の温度領域での共鳴磁場の変化は圧電相互作用と縦型光学フォノンとの極性相互作用との競合になっており、B⊥cの配置の時にはピエゾポーラロンの理論通りに温度の上昇と共に低磁場側へとシフトする様子が見られた。

　その他にもn-CdS特有の43cm^-1フォノンによるPhonon Asistedサイクロトロン共鳴を見ることにも成功した。

　このようにn-CdS,n-CdSeにおいて電子格子相互作用に基づいた様々な興味深い現象を超強磁場下のサイクロトロン共鳴の実験を通して調べることができた。

　MBEやMOCVDといった試料作成技術の向上に伴って低次元系の研究が半導体において盛んになってから久しいが、II-VI族半導体でも低次元系において重要になってくる様々な効果、例えば電子格子相互作用についての研究も盛んになってきた。

　理論的には早くから低次元系でのポーラロン効果は研究されていたが、実験的にはポーラロン効果の小さいIII-V族半導体で多く行われている。しかしながら低次元系では多体効果やキャリアーのスクリーニングによるポーラロン効果の減少などもあり、電子格子相互作用の小さな物質では3次元系ほど純粋にポーラロン効果を調べることができない。その点II-VI族半導体では結合定数が大きいことから他の効果にマスクされずに比較的大きなポーラロン効果を低次元系においても見ることが可能になると思われる。II-VI族半導体低次元系においてはまだサイクロトロン共鳴の測定はほとんどなされておらず、100Tを越えるような超強磁場下で初めてII-VI族半導体ZnCdSe/ZnSe多重量子井戸を用いてサイクロトロン共鳴実験を行った。

　それによって井戸層の厚みの変化に伴う有効質量の変化や顕著な有効質量の温度変化を2次元系においても観測することができ(図5)、Wigner-Brillouin摂動計算との比較を行った。縦型光学フォノンエネルギー近傍では著しい共鳴ポーラロン効果を見ることができ、全般的には理論との非常によい一致を見ることが出来た。ただし高エネルギー領域ではバンドの非放物線性によって理論曲線との不一致が見られた。

図5

　以上のように超強磁場下でのII-VI族半導体及びII-VI族半導体2次元系でのサイクロトロン共鳴の実験より相転移を含む強磁場中でのポーラロン効果について様々なことを明らかにした。またそれぞれの物質におけるバンド端の有効質量及び電子格子結合定数を決めることに成功した。