半導体/MEMS/ディスプレイのWEBEXHIBITION（WEB展示会）による製品・サービスのマッチングサービス SEMI-NET（セミネット）

半導体用語集

励起子吸収

英語表記：Exciton absorption

　半導体や絶縁体において，自由電子と正孔とがクーロン力により束縛状態を作ることがある。これを励起子（エキシトン）という。その束縛状態のエネルギーは，電子と正孔が自由である状態（伝導帯と価電子帯にある状態）よりも低く，それらの差を束縛エネルギーと呼ぶ。光照射を受けた半導体や絶縁体において，フォトンのエネルギーをえて励起子を形成することによる光吸収を励起子吸収という。励起子吸収を起こすフォトンエネルギーは，バンドギャップエネルギー（吸収端）よりも束縛エネルギー分だけ低い。
　励起子は負電荷の電子と正電荷の正孔とがクーロン相互作用による引力で引き合い，安定な状態を作ることによって形成される。クーロン相互作用の効果は水素原子に類似して考えられ，その束縛エネルギーEₑₓは次式で表わされる。
Eₑₓ=μe⁴/2ħ²ε²
ここで，μは電子と正孔との換算質量，eは単位電荷，ħはプランクの定数，εは誘電率である。価電子帯上端をエネルギーの基準に取ると，励起子準位EₙはバンドギャップエネルギーをEgとして，波動ベクトルk=0の位置で，
Eₙ(k=0)=Eg-Eₑₓ/n²
(n=1,2,3…)
と表わされる。
　このような励起子による光吸収は価電子帯の電子が励起子準位に励起され，励起子を生成する過程であるから，吸収スペクトルは離散的になる。nが大きくなるにしたがってバンドギャップに近づき，バンドギャップエネルギーより大きなフォトン（吸収端以上）の場合は連続した吸収スペクトルを示すことになる。また，不純物が存在しても励起子が生成され，不純物吸収の低エネルギー側に励起子吸収が観測されることもある。CuClはバンドギャップが大きく，また誘電率が小さいため，束縛エネルギーは大きくなり，室温においても光吸収スペクトルに励起子吸収によるピークが明確に観測される。GaAsなどでは励起子の束縛エネルギーは小さく，室温では熱エネルギーで解離してしまうため，低温において励起子吸収が観測される。
　半導体において，量子閉じ込め構造を作ると電子と正孔は量子井戸内に空間的に閉じ込められ，励起子を形成しやすくなる。束縛エネルギーは高くなり，また振動子強度も増加するため，励起子は室温でも安定に存在し，吸収スペクトルに明確なピークを観測することができるようになる。実際には価電子帯の重い正孔と軽い正孔に対応した二つの励起子ピークから観測される。二次元量子井戸から，より低次元の量子細線，量子箱（ドット）構造になると，励起子の束縛エネルギーはより大きくなることが期待できるが，明確な観測結果の報告はまだない。また，励起子準位からの発光の可能性も指摘されており，その研究が進められている。

関連製品