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。