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n 型ドープ GaAs 量子細線の 発光および発光励起スペクトル測定

n 型ドープ GaAs 量子細線の 発光および発光励起スペクトル測定. 東京大学物性研究所 井原章之 , 早水裕平 , 吉田正裕 , 秋山英文 , Loren N.Pfeiffer,Ken W.West. 実験結果. 導入. １、背景と目的 ２、サンプルの構造 ３、ＰＬ・ＰＬＥの全体像. ４、低電子濃度のＰＬ・ＰＬＥ ５、高電子濃度のＰＬ・ＰＬＥ ６、２次元系との比較 ７、結果・課題.

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n 型ドープ GaAs 量子細線の 発光および発光励起スペクトル測定

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  1. n型ドープGaAs量子細線の発光および発光励起スペクトル測定n型ドープGaAs量子細線の発光および発光励起スペクトル測定 東京大学物性研究所 井原章之,早水裕平,吉田正裕,秋山英文, Loren N.Pfeiffer,Ken W.West 実験結果 導入 １、背景と目的 ２、サンプルの構造 ３、ＰＬ・ＰＬＥの全体像 ４、低電子濃度のＰＬ・ＰＬＥ ５、高電子濃度のＰＬ・ＰＬＥ ６、２次元系との比較 ７、結果・課題

  2. 低温でシャープなフェルミ面を持つ系における光吸収や発光などの光学過程の研究はMahan[1]に始まり、吸収スペクトルの吸収端がべき的に発散するという効果：Fermi Edge Singularity (FES)が、バルク金属のX線吸収測定において観測された。 最近では半導体における光吸収・発光スペクトルの電子濃度依存性が測定されるようになった。２次元系ではQuantum Well (QW)における発光・吸収スペクトル測定において、FESやBand Gap Renormalization (BGR)などの、多体効果を反映した特徴が観測されている。 背景と目的 • 我々のグループは過去に、Modulation doped single T-shaped Quantum Wire (QWR) における発光スペクトルの電子濃度依存性を測定した [2]。１次元系におけるneutral excitonやcharged exciton、さらにelectron plasmaの発光を測定したところ、高電子濃度における発光スペクトルはＦＥＳを示唆していた。 • Modulation doped single T-shaped QWRにおける発光および発光励起スペクトルの電子濃度依存性を測定し、１次元系の多体効果を調べることが本実験の目的である。 [1]G. D. Mahan, Phys. Rev. 153 (1967) 882. [2] H. Akiyama, L. N. Pfeiffer, A. Pinczuk, K. W. West Solid State Commun. 122 (2002) 169

  3. 分子線エピタキシー・へき開再成長法で作成した単一T型量子細線分子線エピタキシー・へき開再成長法で作成した単一T型量子細線 size：14nm×6nm Si delta dope : 4×1011 cm-2。 　→　stem 電子濃度：1×1011 cm-2 Vg : 0.0～0.8V サンプルの構造 • wire 電子濃度 : 0～4× 105 cm-1 • arm 電子濃度 : 0～1.3× 1011 cm-2 • 励起光 : wireに垂直な偏光、[110]方向 • 検出 :wireに平行な偏光成分、[001]方向 • 点励起spot size ~ 1μm、power ~ 40μW • T：5K

  4. Vg = 0.15V PL・PLEの全体像 wire HH PLE　⊥－// arm HH stem LH arm LH PL　⊥－// stem HH Photon Energy [eV] ※１　H. Itoh, Y. Hayamizu, M. Yoshita, H. Akiyama, Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 2043

  5. 低濃度側 PL PLE ④ 0.4V ③ ①neutral exciton (exciton) ②charged exciton (trion) ③FES ④electron plasma 0.3V ② 0.2V ① 0.15V ③ 0.1V 0.0V Photon Energy [eV] ※１ H. Akiyama et al. Solid State Commun. 122 (2002) 169

  6. 高濃度側 PL PLE ② ① ③ 0.7V 電圧をさらに上げると、電子濃度はさらに高くなり、下図で現されるelectron plasma状態のスペクトル形状を示すようになる。 0.6V 0.5V 0.4V 0.35V 0.25V ①Fermi Edge ②Band Edge ③？？？ 0.15V Photon Energy [eV]

  7. 計算 実験 ④ 低濃度における計算との比較 ③ ② ④ 0.3V ② 0.2V ① ① 0.15V PL and PLE intensity [arb. Uuits] ③ ③ 0.1V 0.0V ※１　M. Takagiwa, T. Ogawa, To be published

  8. EF EF wire arm 2次元系（arm）との比較 （meV） （meV） 1.8 1.8 ④ ④ 1.5 1.5 1.1 exciton 吸収 1.1 ③ 0.8 0.8 ③ ② 0.5 0.5 ② 0.2 0.2 ① ① plasma 吸収

  9. 結果と今後の方針 • 一次元系で初めて、電子濃度を増加させたときのexciton吸収ピークのブルーシフト（EFに比例）を観測。 • 電子濃度を増加させたとき、excitonやtrionの吸収ピークが急速に減衰する（１次元性を反映）。 • 一次元系の吸収スペクトルにおけるFESが観測されたが、減衰のべきの値などの詳しい研究のためには、サンプルの品質を上げる事が必要。 • 高濃度領域の吸収スペクトルが不思議な傾向を示した。さらに詳しく調べるために、電子のドープ量を変えたサンプルを作成する。 • 次元性をさらに詳しく調べるため、armの厚みを変えたサンプルの作成する。

  10. cw Ti:Sa laser、対物レンズ、0.75m高分解分光器を用いた点励起顕微分光測定。 サンプルはクライオスタット内で液体ヘリウム温度(5K)に保たれている。 点励起光は[110]方向、パワーは40μW、対物レンズはN.A.=0.4で、スポットサイズは1μm。焦点深度は3μm程度。 検出は[001]方向。偏光フィルターはレーザー散乱光をカットするために使用。対物レンズはN.A.=0.5、結像レンズはf=20cm（40倍）。 バンドルファイバーに結像させて分光器に導入。分光器の分解能は0.15meV。 光学系

  11. 0.14V 3.5meV / V 0.12V • excitonのピークのうち、一番左側にあるピークのシフトの大きさは、3.5meV / Vだった。 • ＰＬの幅から見積もったEFだの大きさについてもΔEF ~3.5meV / Vであり、 excitonのピークシフト 0.10V 0.08V 0.06V 0.04V 0.02V 0.0V

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