Transcript et al. - 秋山研究室

20aXB-5
ｎ型にドープしたT型量子細線における
PLEスペクトルの電子濃度依存性
東大物性研、CREST(JST)、ルーセント・ベル研A
井原章之、早水裕平、吉田正裕、秋山英文、
Loren N. PfeifferA、Ken W. WestA
アウトライン
：
①背景・意義
②試料構造
③実験結果（＆計算結果）
－ １次元系
－ ２次元系
④比較・疑問点・まとめ
背景 ～ n型ドープ量子細線の意義
ドープ半導体量子構造の光物性
⇔ 状態密度の特異性 、Fermi FillingやScreeningの効果、励起子効果(excitonやtrion、FESなど)
２次元ドープ量子井戸の研究[1]は多いが
１次元ドープ量子細線の研究は少ない
２次元
電子系
exciton
trion
１次元系および二次元系電子系における発光
（赤線）・吸収（黒線）スペクトルの理論曲線
[1] By Huard et al., Phys.
Rev. Lett. 84, 187 (1999)
１次元
電子系
？
研究のターゲット
試料の構造、および測定配置
＜試料成長法＞
MBEおよびへき開再成
長法で作製
＜wireのサイズ＞
14 x 6nm (x 4mm)
＜試料の特徴＞
①Siの変調ドープ
②ゲート電極の設置
→電子濃度可変
＜測定の工夫＞
励起と検出を直交
偏光方向も直交
成長に関してはルーセント・ベル研のPfeiffer博士らに依頼。
最重要
実験結果
1D電子濃度依存性
Trionを介した
Metal-Insulator crossover
③
Akiyama et al. Solid State Commun. 122, 169 (2002)
＜注目すべき点＞
②
①exciton→trionの移り変わ
りが急激
②trion→FEのcrossoverで特
徴的なダブルピーク構造が
現れる。
③高電子濃度のFEオンセッ
トは、長い低エネルギー側
テールを持つ。
①
自由粒子近似計算
 = 0.2meV
Te = Th = 8K
有効質量近似の２バンドモデル、
伝導帯電子がフェルミ分布、帯間光学直接遷移
  e  h
 (1  m e / m h ) e
 1 
1D
  f e  e  f h  h L   

Dj
発光 I   

Dj
D
1D
j
f e  e L     E g   d 
1D
吸収 A   
( )  1 /

ne 
1

2me

2
1
e
 E g   d 
f e  e d  e
実験と計算の比較
③
＜比較から分かること＞
・trion→FEの移り変わりで現
れたダブルピーク②は、Band
EdgeとFermi Edgeを反映。
Band Edgeのピークは1Dでの
み観測される構造で、状態密
度の発散に相当する。
・高電子濃度で観測されるFE
オンセット③はFermi Edgeで、
テールは有限温度の効果。
②
2D arm wellの場合
1D同様、Trionを介した
Metal-Insulator crossover
・Finkelstein et al., Phys. Rev. Lett. 74, 976 (1995)
・Huard et al., Phys. Rev. Lett. 84, 187 (1999)
・Yusa et al., Phys. Rev. B 62, 15390 (2000)
・Kaur et al., Phys. Status Solidi B 178, 465 (2000)
・Cox et al., Phys. Rev. B 69, 235303 (2004)
＜2D特有の現象＞
①excitonが高電子濃度まで残る
②trion→FEの移り変わりは単一
ピークのまま（状態密度の発散
はない）
③FEが非対称ピーク構造。ス
テップ関数的でない（多体効果） 。
１Ｄと２Ｄの比較
疑問点
①excitonからtrionへの移り変わりが急激なのは、1D特有か
（理論研究例）
Stebe et al., Phys. Rev. B 58, 9926 (1998)
Combescot et al., Solid State Commun. 128, 273 (2003)
Esser et al., Phys. Status Solidi B 227, 317 (2001)
Takagiwa and Ogawa, 論文書いてくれるはず、、、！？
→ 1Dだと最低準位の振動子強度がenhanceされるため!?
②高電子濃度のPLEが1Dだと自由粒子的で、2Dだとフェル
ミ端特異性（FES）が顕著に現れるのはナゼ？
（理論予測や、過去の実験例と不一致）
（実験報告例）
Calleja et al., Solid State Commun. 79, 911 (1991)
Fritze et al., Phys. Rev. B 48, 4960 (1993)
→ Screening？価電子帯の分散？理由が全く分からない。
まとめ
n型ドープ量子細線における一次元電子系の
PLとPLEの電子濃度依存性を測定した。
一次元系特有の現象として下の二点が現れる事が分かった。
①Exciton→trionの移り変わりが急激
②trion→FEの移り変わりでBand Edge
とFermi Edgeのダブルピークが現れる
発散をもつ１次元状態密度の特徴が顕著に現れた !!
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