間接遷移

間接遷移について

間接遷移（Indirect Bandgap）は、波数空間における半導体のバンド図において、伝導帯の底と価電子帯の頂点が同じ波数ベクトルの位置に存在しない現象を指します。この際、波数の違いは結晶運動量の相違を意味し、間接遷移の特性として知られています。

吸光と発光

間接遷移を持つ半導体では、電子とホールが再結合する際に発生する光の強度が、直接遷移の半導体に比べて目立って弱くなります。これは、光の放出および吸収においてエネルギー保存と運動量保存の両方を考慮しなければならないためです。間接遷移では、伝導帯の底にいる電子が価電子帯の頂上にあるホールと再結合する際、異なる波数を持っているため、運動量を調整する必要があります。このとき、光子の持つ運動量は非常に小さいため、光子だけでは直接遷移ができません。

そのため、通常は光子の代わりに格子振動（フォノン）の吸収や放出が関与します。例えば、低温環境（4 Kなど）ではフォノンを活用することができず、間接遷移材料での光の吸収や放出は温度に敏感になります。この特性により、間接遷移半導体では電子とホールの再結合が外部の運動量を必要とし、再結合寿命が長くなる傾向があります。シリコンのような材料では、この再結合寿命はミリ秒を超えることもあります。ただし、この間に表面や欠陥準位に引き寄せられる場合が多く、光を伴わない再結合が発生して発光効率が大きく減少することがあります。

応用

直接的な発光素子として間接遷移の材料が単独で利用されることは稀ですが、半導体内の特定の準位を介して発光を促進する手法も存在します。この方法で使用される準位は「アイソエレクトロニックトラップ」と呼ばれ、例えばガリウムリンを用いて発光ダイオードが作成されています。

また、光源としての利用以外にも、半導体に電流を流したり、バンドギャップ以上のエネルギーを持つ光を照射したりすることで生成される再結合の発光を観察する手法があり、これにはエレクトロルミネッセンス（EL法）やフォトルミネッセンス（PL法）が含まれます。これは主に半導体基板や太陽電池などの評価に利用されています。

間接遷移の半導体材料

具体的な間接遷移半導体の例としては、以下のものが挙げられます：

• - ダイヤモンド (C)
• - シリコン (Si)
• - ゲルマニウム (Ge)
• - リン化ガリウム (GaP)
• - アンチモン化アルミニウム (AlSb)
• - ヒ化アルミニウム (AlAs)

間接遷移についての理解は、半導体物理学やデバイス設計において重要であり、関連するテーマには直接遷移、半金属、フォノン、アイソエレクトロニックトラップ、物性物理学などが含まれます。これらの知識をもとに、半導体技術の進展に寄与していくことが期待されています。

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