Transcript ③ - 秋山研究室
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 導入 １、背景と目的 ２、サンプルの構造 ３、ＰＬ・ＰＬＥの全体像 実験結果 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 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 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 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 PL・PLEの全体像 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 ⊥励起光でstemを励起した時 のPL の//成分 PL and PLE Intensity (arb.units) wire HH PLE ⊥－// arm HH stem LH arm LH PL ⊥－// stem HH 1.564 1.568 1.572 Photon Energy (eV) ※１ Vg = 0.15V 1.55 1.57 1.59 1.61 1.63 Photon Energy [eV] H. Itoh, Y. Hayamizu, M. Yoshita, H. Akiyama, Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 2043 1.65 低濃度側 ④ PLE 0.4V PL and PLE Intensity (arb.units) ③ PL and PLE Intensity (arb.units) ①neutral exciton (exciton) ②charged exciton (trion) ③FES ④electron plasma PL 0.3V ② 0.2V ① 0.15V ③ 0.1V 0.0V 1.566 1.568 1.570 1.572 1.566 1.568 1.570 1.572 Photon [eV]Energy (eV) Photon EnergyPhoton (eV) Energy ※１ H. Akiyama et al. Solid State Commun. 122 (2002) 169 高濃度側 ① PL PLE ③ PL and PLE Intensity (arb.units) ①Fermi Edge ②Band Edge ③？？？ PL and PLE Intensity (arb.units) 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。 ② 0.7V 0.6V 0.5V 0.4V 0.35V 0.25V 0.15V 1.564 1.568 1.572 1.576 1.564 1.568 1.572 1.576 Photon Energy (eV) Photon Photon Energy (eV) Energy [eV] 低濃度における計算との比較 計算 ④ 実験 計算と実験の比較 ② trionの吸収 E(trion) ～ Eg+EF－2Eb となる。Eb=2.3meV。シフトは 観測されなかった。 ③ FES（べき的な立下り） ④ PL and PLE intensity [arb. Uuits] E(exciton) ～ Eg+2EF－Eb となる。 実験的には、EFに比 例したブルーシフトが観測さ れた。 ④ 高電子濃度領域 計算では、電子プラズマ状態 の吸収スペクトルを正確に反 映していない。 ※１ M. Takagiwa, T. Ogawa, To be published ③ ② ② ① ③ PL and PLE Intensity (arb.units) ① excitonの吸収 0.3V 0.2V ① 0.15V ③ 0.1V 0.0V 1.566 1.568 1.570 1.572 Photon Energy (eV) EF arm 比較点 ① Eb wireでは、Eb=2.3meV wire：ブルーシフト・急 ② exciton 速な減衰。 吸収 ③ trion 吸収 ④ plasma 吸収 arm：ブルーシフト・ブ ロードニング。 wire：急速な減衰・な だらかな吸収の立ち 上がりへ。 arm：ブルーシフト・ブ ロードニング。 wire：不思議な吸収。 arm：trionの吸収ピーク からなめらかに繋がる。 PLの立下りから考えて も、Fermi Edgeに近い。 1.8 ④ PL and PLE Intensity (arb.units) armでは、Eb= 1.4meV wire （meV ） PL and PLE Intensity (arb.units) 2次元系（arm）との比較 EF （meV ） ④ 1.5 1.5 1.1 1.1 ③ 0.8 0.8 ③ ② 0.5 0.5 ② 0.2 0.2 ① 1.8 ① 1.580 1.584 1.588 Photon Energy (eV) 1.564 1.568 1.572 1.576 Photon Energy (eV) 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。 光学系 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。 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 PL and PLE Intensity (arb.units) 0.14V 3.5meV / V 0.12V 0.10V 0.08V 0.06V 0.04V 0.02V 0.0V 1.566 1.568 1.570 Photon Energy (eV)