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
Download
Report
Transcript 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
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
1、背景と目的
2、サンプル・光学系
3、PL・PLEの全体像
4、細線のPL・PLE
5、理論・2次元系との比較
6、結果・課題
背景と目的
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。
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
サンプルの構造
Modulation doped single T-shaped
QWR 14nm×6nm size
Si delta dope : 4×1011 cm-2。
Stem electron density:1×1011 cm-2
Vg : 0.0~0.8V
wire electron density : 0~4× 105 cm-1
arm electron density : 0~1.3× 1011 cm-2
Excitation light : [110]
Detection : [001]
光学系
cw Ti:Sa laser、対物レンズ、0.75m高分
解分光器を用いた顕微分光測定。
励起光 : N.A. 0.4、1μm spot、40μW
T : 5K
xyzステージでクライオスタットを動かす
事で、サンプルの位置を制御。
検出 : N.A. 0.5、結像レンズはf=20cm、
40倍拡大像をバンドルファイバーに結像。
分光器の分解能: 0.15meV
励起側・検出側ともに偏光フィルター(P)
で特定の偏光成分のみ取り出している。
PL・PLEの全体像
wireに当てる励起光の偏光を変えて測定。
青線
// 励起光で、wireの発光の//成分
をモニタしたときのPLE
黒線
⊥励起光で、wireの発光の//成分
をモニタしたときのPLE
赤線
stemで励起した時のPL の//成分
stemは電子濃度が1×1011 cm-2 程度で、 2D
electron plasma状態。ぼやけた吸収端が発
光の高エネルギー側に現れる。
1.615eVの吸収ピークが現れた。
→armのLight Hole の吸収
以後、黒線・赤線の組み合わせに固定。
Vg = 0.2
励起光~1μW
PL and PLE intensity [arb. Uuits]
wire HH
arm HH
stem HH
arm LH
stem LH
PLE //-//
PLE ⊥-//
PL ⊥-//
1.55
1.57
1.59
1.61
1.63
Photon Energy [eV]
※1
H. Itoh, Y. Hayamizu, M. Yoshita, H. Akiyama, Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 2043
1.65
wire PL & PLE 電子濃度依存性
E f 1 m e / m h E FE E BE
Fermi Energy [meV]
2.5
2
1.5
0.20V
X
-
0.175V
0.15V
0.125V
1
X
0.5
0
0.2
0.4
0.6
0.8
Gate Voltage [V]
1
1.564 1.568 1.572
Photon Energy (eV)
※1 H. Akiyama et al. Solid State Commun. 122 (2002) 169
EBE
0.8V
EFE
0.7V
0.6V
0.5V
0.4V
0.3V
0.2V
X
-
0.10V
0
Uuits]
[arb.(arb.unit)
PL and PLE intensity
Photoluminescence
Intensity
電圧を上げると電子濃度は高くなり、exciton、
X: exciton (neutral exciton)
trion、electron plasmaという3つの状態が現
れる(※1)。
X-: trion (charged exciton)
有効質量近似を用いて以下の式を導出し、
electron plasma状態のPLの発光幅から
Fermi Energyを見積もることができる。
PL and PLE intensity [arb. Uuits]
赤線:PL(発光)
黒線:PLE(吸収)
X
0.1V
1.564 1.568 1.572
Photon Energy (eV)
高際氏のD論で、電子スピンを考慮にいれた理想
一次元系の発光・吸収スペクトルの電子濃度依存
性(温度0K)が計算されている(※1)。モデルの特
徴と、実験結果は以下の通り。
計算
実験
① 発光には、低エネルギー側
の発散(一次元状態密度を反
映)と、高エネルギー側の発散
(FES)が現れる。
計算結果ほど強烈ではない
が、形は似ている。理由とし
ては、有限温度(5K)、有限サ
イズの効果が考えられる。
② 吸収では、終状態として
electron + hole (exciton)と、
electron×2 + hole (trion)を考
えていて、2つの吸収ピークが
現れる。それらのエネルギー値
はMNDモデルによる計算で、
E(trion) ~ Eg+EF-2Eb
E(exciton) ~ Eg+2EF-Eb
となる。
予測どおりexciton・trion、2つ
の吸収ピークが観測された。
Eb=2.3meVであった。濃度を
上げると吸収強度が急速に
減衰し、ピークが一旦消える。
高濃度側の、吸収の立下り
に繋がってゆくようにも見え
る。
③ フェルミ面が存在するとき、
吸収ピークの立下りはべき的に
減衰する(FES)。
Trionの吸収端にはFESが現
れているようにも見える。
④ 伝導帯の電子間相互作用
を考慮にいれていないため、高
電子濃度における電子プラズマ
状態の吸収スペクトルを正確に
反映しない。
電子濃度があがるにつれて、
鋭い立ち上がりはなくなり、
吸収端は不明確になってゆく。
高濃度側の吸収の立ち上が
りに繋がるようにも見える。
※1
実験
①
①
④
②
③
M. Takagiwa, T. Ogawa, To be published
赤線:PL(発光)
黒線:PLE(吸収)
点線:PL(発光)
黒線:PLE(吸収)
Photoluminescence Intensity (arb.unit)
理論との比較
理想1次元系 計算
1.8meV
1.4meV
1.0meV
④
0.6meV
③
0.2meV
②
②
1.564 1.568 1.572
Photon Energy (eV)
赤線:PL(発光)
黒線:PLE(吸収)
2次元系(arm)との比較
1次元 (wire)
2次元 (arm)
① Eb(excitonと
trionのピークの
エネルギー差)
2.3meV
1.4meV
Yusaらの報告(20nm
QW)では1.2meV
② 電子濃度を
上げた時の
excitonの吸収
ピークの振る舞
い
吸収強度が急速に減
衰し、ピークが一旦消
える。高濃度側の、吸
収の立下りに繋がっ
てゆくように見える。
構造があるので詳しく
は分からない。
③ 電子濃度を
上げた時のtrion
の吸収ピークの
振る舞い
吸収強度が急速に減
衰し、ピークが一旦消
える。高濃度側の、吸
収の立上がりがシフト
する部分に繋がって
ゆく。構造があるので
詳しくは分からない。
ブルーシフト・ブロー
ドニングを示す。
Yusaらの報告や、高
際氏の計算と定性的
には一致。
ブルーシフト・ブロー
ドニングを示す。詳し
く調べた報告はない。
※1 G. Yusa et al. Phys. Rev. B 62 (2000) 15390
V. Huard et al. Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 187
wire
arm
5meV
Photoluminescence Intensity (arb.unit)
比較点
3meV
1.7meV
PL and PLE Intensity (arb.units)
同様の実験をarmについて行い、PLとPLEの電
子濃度依存性を測定したところ、過去の報告と
ほぼ同じ傾向を示した(※1)。wireのPLとPLE
と比較した時、1次元と2次元で異なる点を下
の表にまとめた。
1.7meV
1.4meV
③
1.4meV
1.0meV
1.0meV
0.7meV
③ ④
② 0.4meV
0.6meV
0.2meV
①
0.2meV
0.1meV
②
①
1.580
1.584
1.588 1.564 1.568 1.572
Photon Energy (eV) Photon Energy (eV)
結果と課題
arm
wire
高際氏の計算
Eb (excitonとtrionのピークのエネルギー差)
1.4 meV
2.3 meV
?
excitonの吸収ピークのシフトが始まるEf (Fermi Energy)
0.1 meV
?
excitonの吸収ピークが消える時のEf
0.6 meV
0.2 meV
傾向は一致
excitonとtrionの吸収ピークの高さが等しくなる時のEf
0.5 meV
0.1 meV
?
electron plasma状態に移行する時のEf
1.1 meV
0.2‐0.9 meV
?
Ef =1.7meVにおけるtrionピーク
(wireでは、吸収の立ち上がり)のシフト
3 meV
(5 meV)
傾向は一致
wireのPL・PLEに現れる細かい構造のせいで、FESやピークのシフトの観測が不明確。
→stemの品質を上げる事で解決するはず。
上記の結果のほとんどが、armの厚みに依存していると考えられる。
→armの厚みを変えたサンプルの作成。