Transcript et al. - 秋山研究室

’07 11/20 金光研合同セミナー @ 物性研究所
顕微発光分光法によるn型ドープ量子細線の研究
秋山研究室 Ｄ３ 井原 章之
ドープ量子細線
１次元電子ガスを内包し、
状態密度の発散や
強いクーロン相互作用の
発現が期待される。
しかし試料成長や測定が難しいため、
バンド端エネルギー領域の
吸収スペクトルに現れる特徴を
明らかにした実験は無い。
目的 ： 縮退-非縮退１次元電子系の
光学的性質を明らかにする。
ゲート付きドープT型量子細線
結晶成長はルーセントベル研の Loren N. Pfeiffer博士に依頼
①
②
③
④
[1]
＜細線のサイズ＞
14 x 6nm x 4mm (単一)
＜ドーピング [2]＞
①Si 変調ドープ
②ゲート電極
→電子濃度可変
[1] M. Yoshita, H. Akiyama, L. N. Pfeiffer, and K. W. West, Jpn. J. Appl. Phys. 40, L252 (2001).
[2] H. Akiyama, L. N. Pfeiffer, A. Pinczuk, K. W. West, and M. Yoshita, Solid State Commun. 122, 169 (2002).
顕微発光分光（発光励起スペクトル測定）光学系
PLE (PhotoLuminescence Excitation)
工夫点
Point 1 励起と検出の方向を互いに直交に配置
Point 2 サンプルを光軸に対して傾けて配置し、
さらにアイリスで散乱光をカット
Point 3 励起と検出の偏光を互いに直交に配置
Point 4 レーザー励起強度の安定化 (cw励起)
単一量子細線の共鳴領域のPLEスペクトル測定法
発光が観測されるエネルギー領域
T = 5K
Vg = 0.0V
Pex = 40mW
0.7V(高電子濃度)の実験結果
Exc.
5K
Pex = 40mW
ホール濃度は小さい
PL peak at Band edge と PLE onset at Fermi edgeを観測
PLとPLEの比からキャリア温度を見積もる
  



exp
2


 A
 k BT 
I
Kennard.Stepanov関係式
D. A. Sawicki et al.,
PRA 54, 4837 (1996).
PL peak at Band edge と PLE onset at Fermi edgeを観測
見積もられたキャリア温度:
1meV）
10.6±0.2K
（kBT ～
自由粒子モデルで１次元電子濃度を見積もる
I 
  E
k
A
  E
k

   f k 1  f k
C
k

V
   1  f k
C
f
V
k
k
m e  0 . 067 m 0
m h  0 . 105 m 0
PL peak at Band edge と PLE onset at Fermi edgeを観測
顕著なクーロン増強効果は観測されなかった
見積もられたキャリア温度: 10.6±0.2K （kBT ～
1meV）
見積もられた電子濃度 : 6x105 cm-1 （Ef ～ 5meV）
Ef/kBT ～５

ハートリーフォック計算と比較する
Rectangle wire
Static plasma screening
Semiconductor Bloch eq.
P.Huai @ 大阪大学
m e  0 . 0665 m 0
m h  0 . 105 m 0
PL peak at Band edge と PLE onset at Fermi edgeを観測
顕著なクーロン増強効果は観測されなかった
見積もられたキャリア温度: 10.6±0.2K （kBT ～
1meV）
見積もられた電子濃度(HF) : 6.4x105 cm-1
0.7V(高電子濃度)における温度依存性の実験結果
(Ef/kBT ～ ５)
PLE onset
at Fermi edge (FE)
T=50K
高温
環境温度
T=5K
(Ef/kBT ～ 1)
sharp PLE peak
at Band edge (BE)
低温
計算と良い一致を示している
１次元系特有の現象である
１次元状態密度の特異性を反映したバンド端吸収ピークの観測
ゲート電圧依存性（電子濃度依存性）の実験結果（５K)
見積もられたキャリア濃度:
6x105 cm-1 （Ef ～ 5meV）
ゲート電圧
高濃度
低濃度
電子濃度ゼロのノンドープの極限 （Ef ～ 0meV）
ゲート電圧依存性 at 5K (0.7 - 0.5 V)
 Red shifting PLE onset at Fermi edge
Fermi edgeのレッドシフト
電子濃度の減少
ゲート電圧依存性 at 5K (0.4 - 0.35 V)
特徴的なダブルピーク構造
特徴的なダブルピーク構造 を観測
Band edge (BE) と Fermi edge (FE)
ゲート電圧依存性 at 5K (0.3 – 0 V)
 バンド間再結合の描像 (Vg > 0.3V) から
励起子再結合の描像 (Vg < 0.2V) へのクロスオーバー
 ２次元電子系の実験結果と類似している
[’99 V. Huard, PRL,
'00 R. Kaur, PSS(b), '02 T. Ogawa, Nonlinear Opt. ]
ゲート電圧依存性 at 5K (0.3 – 0 V)
 バンド間再結合の描像 (Vg > 0.3V) から
励起子再結合の描像 (Vg < 0.2V) へのクロスオーバー
 ２次元電子系の実験結果と類似している
[’99 V. Huard, PRL,
'00 R. Kaur, PSS(b), '02 T. Ogawa, Nonlinear Opt. ]
 Xピークの不均一幅はおそらく
Stem wellのML揺らぎに起因
0VのPLEはノンドープ量子細線のPLEと一致 [ Itoh et al., APL 83, 2043 (2003). ]
０Vは電子濃度ゼロ（ノンドープの極限） に対応
自由粒子モデル計算との比較
Vg = 0.7 - 0.4 V
ne=6x105cm-1 ～ 3x105cm-1
縮退１次元電子ガス (Ef/kBT > 2)
電子濃度
高
Vg = 0.4 - 0.35 V
ne=3x105cm-1 ～ 2.5x105cm-1
非縮退１次元電子ガス (Ef/kBT < 2)
１次元状態密度に起因するダブルピーク構造
低
Vg < 0.2 V
ne < 1.5x105cm-1
Limit of non dope (zero density)
１次元状態密度の特異性を反映した構造が
0.35-0.4Vの 特徴的なダブルピーク構造にも 現われている
T. Ihara et al., Phys. Rev. Lett. 99, 126803 (2007).
まとめ
ゲート付きT型量子細線に
濃度可変の１次元電子ガス を形成できた
単一の量子細線に対する
１次元基底準位のPLE測定に成功した
鋭いバンド端吸収に反映されるような
１次元状態密度の特異性が観測された
調節できる電子濃度の範囲は 0 から
6x105cm-1 程度
今後の課題
 Stem wellのML揺らぎを無くす (g → 0.2meV)
 さらに低温で測定する (T＜5K)
 導波路を設けて、絶対値測定を行なう