Transcript PRB - 秋山研究室

量子細線における光学利得と多体効果
東大物性研 吉田正裕、秋山英文
ノンドープの光励起量子細線レーザーに対し、PL励起強度依存性測定、導波路
誘導放出光測定、キャシディーの方法による解析を行い、各キャリア濃度に対す
る光学利得スペクトルを求め、利得機構と電子間相互作用の効果を調べた。
ゲート電極を設けたn型ドープ単一量子細線FET型デバイスに対して、PLおよび
PLE測定を行い、キャリア濃度の変化に応じた吸収と発光における一次元状態密
度と電子間相互作用の効果を調べた。
電流注入型発光デバイスを試作し、I-V特性、EL、PLなどの計測評価を行った。
量子細線レーザーの発振機構研究に関する研究背景
状態密度の先鋭化により量子細線レーザーの性能向上予測。
（1980頃、荒川・榊、浅田・宮本・末松）
T型量子細線レーザーの基底状態での発振。「レーザー発振の起源
はクーロン相互作用で形成された励起子によるものだ」との主張。
（1993、Wegscheiderら）
量子細線では励起子効果が強くバンドギャップ収縮はない。
（1997、Ambigapathy ら）
V型量子細線レーザーの発振起源は局在励起子との主張。
（2000、Siriguら）
T型量子細線レーザー発振と同時に
プラズマの発光を観測。
（2001、Rubioら)
高品質T型量子細線レーザーの発振
起源は、励起子ではなくプラズマ。但し
クーロン相互作用の影響が強い。
(2003、秋山ら）
高品質単一量子細線レーザーの
レーザー発振光と自然放出光の比較
cf
Wegscheider
et al.
PRL 1993
cf
Rubio et al.
SSC 2001
spontaneous
emission
pump
L1
stimulated
emission
L2
ARM
WELL
1.58
1.60
WIRES
490mW
360mW
333mW
140mW
5mW
1.56
Energy (eV)
単一量子細線のPLスペクトル（励起強度依存性）
aB ~13nm
n1D = 1.2 x 106 cm-1
(rs = 0.65 aB)
Density
Electron-hole Plasma
n1D = 1.2 x 105 cm-1
(rs = 6.6 aB)
Biexciton+Exciton
EB =2.8meV
n1D = 3.6 x 103 cm-1
(rs = 220 aB)
Free Exciton
n1D ~ 102 cm-1
M. Yoshita, et al.
Ｐｌｏｔ
Exciton band edge & plasma band edge (T=30K)
▼ plasma band edge
(low energy edge of plasma PL)
starts at biexciton energy
and shows red shift.
▼ exciton band edge,
(onset of continuum states)
exciton ground and excited states
show no shift.
キャシディー法による吸収スペクトル測定
Single wire laser, uncoated cavity mirrors
Excitation Light
：cw TiS laser at 1.631eV
Spectrometer
with spectral
resolution of
0.15 meV
Cassidy’s
Method
Point
Waveguide
Emission
Polarization
parallel to
Arm well
吸収利得スペクトル測定（キャシディー法）
Excitation Light
：cw TiS laser at 1.631eV
Absorption
Gain
Cassidy’s
Method
Spectrometer
with spectral
resolution of
0.15 meV
Spontaneous
emission
Stripe shape
Waveguide
Emission
8.3mW
Polarization
parallel to
Arm well
吸収利得＆発光スペクトルの
電子正孔密度依存性
Electron-Hole Plasma
• Generation of gain and e-h
plasma formation
• Large excitonic absorption
non-linearity
⊿α／α＝17%／105cm-1
Exciton
Hayamizu et al.
20周期量子細線レーザーの利得と発光
発光ピークの
低エネルギーに
利得発生
励起子エネルギー
での発光ピーク
利得ピークの形状
1D DOSとの相違
20周期量子細線レーザーの吸収スペクトル
発振閾値以下
温度上昇
利得ピーク幅→大
最大利得→小
温度120K (発振せず)
細線の利得→小
Arm wellの利得→大
(キャリア分布の影響）
現在進行中の理論計算 by Huai and Ogawa (2005)
14nmx6nm ドープ単一量子細線 FET 型デバイス
による1D電子濃度制御と光学応答
構造
GND
測定配置
T. Ihara et al.
井戸および細線における状態密度と電子間相互作用の効果
（ドープ系の場合）
自由電子近似理論
実験
２次元
電子系
exciton
trion
Huard et al., PRL 84,
187 (1999)
•状態密度の特異性
•Fermi FillingやScreeningの効果
•励起子効果(excitonやtrion、FES：フェルミ端特異性な
ど)
１次元
電子系
？
電子濃度依存性＠ 5K （1Ｄと2Ｄ）
温度依存性（高電子濃度） （1Ｄと2Ｄ）
BE ：Band Edge
FE ：Fermi Edge
低温ではFE、高温ではBEに吸収ピークが現れる。
電流注入レーザー作製への道
まとめ
１） ノンドープ及びｎ型ドープ量子細線のキャリア濃度依存の発光・
吸収・利得スペクトルを全て取得した。
２） 光励起量子細線レーザーでは、電子正孔キャリア濃度の増加と
ともに励起子吸収が消失して連続的な吸収に変化し、やがて利得
が発生する様子が明らかになった。利得はフェルミレベル近傍に
ピークを持ち、1次元系におけるクーロン相互作用の特徴を強く反
映している。
３） n型ドープ単一量子細線FET型デバイスでは、1次元状態密度と
フェルミ分布を反映したモデル計算に一致する吸収スペクトルが得
られた。今のところフェルミ端異常などの多体効果は表れていない。
４） 電流注入レーザーは、まだレーザー発振に至っていない。光励
起でレーザー発振するかどうかを試したところ、多モードレーザー発
振が確認された。また、エレクトロルミネッセンスも観測され、ELスペ
クトルやI-V特性をもとに改善点の検討が進んでいる状況である。
設計、結晶成長、プロセス技術の改善を進めつつ、レーザー発振と
低しきい値電流の検証を目指す。
電子‐正孔系の量子相の解明
量子細線中の多電子-多正孔共存系では
一体何が起きているのか？
大阪大学大学院理学研究科 小川グループ
小川哲生・・・非平衡相転移理論
浅野建一（助教授）・・・ボゾン化法・数値対角化
法
冨尾祐（JST研究員）・・・動的平均場理論
高際睦起（助手）・・・ドープ系の結合クラスター
理論
石川陽（DC）・・・電子-正孔液滴形成の量子論
稲垣剛（奈良先端大助手）
飯田勝（通総研研究員）
理論的研究のポイント
● 次元性と電子相関
● 非ドープ系（絶縁体）とドープ系（金属）
● 励起子Mott転移の存在／非存在，臨界現象
● 電子-正孔対凝縮（BECとBCS）の存在／非存在
● 時空間量子ダイナミクス，非平衡性
● 動的応答，（非）線形光学応答，非局所応答
● レーザー輻射場制御と電子相関
Lasing & many-body effects in quantum wires
E. Kapon et al. (PRL’89)
W. Wegscheider et al.
(PRL’93)
R. Ambigapathy et al.
(PRL’97)
L. Sirigu et al. (PRB’00)
J. Rubio et al. (SSC’01)
A. Crottini et al. (SSC’02)
T. Guillet et al. (PRB’03)
Y. Hayamizu et al. (APL’02)
H. Akiyama et al. (PRB’03)
Lasing in excited-states of V-wires
Lasing in the ground-state of T-wires, no energy shift,
excitonic lasing
PL without BGR, strong excitonic effect in V-wires
Lasing due to localized excitons in V-wires
Lasing observed with e–h plasma emission in T-wires
PL from exciton molecules (bi-excitons) in V-wires
PL, Mott transition form excitons to a plasma in V-wires
Single-mode lasing in a single T-wire
Lasing due to e–h plasma, no exciton lasing in T-wires
H. Yagi et al. (Arai group,
RT-CW GaInAsP/InP wire lasers by etching & regrowth
TIT)（JJAP’03） (23nmx7nmx5layers, ~100mA,800A/cm2,36%,<10000h)
Theories
F. Rossi and E. Molinari (PRL’96)
F. Tassone, C. Piermarocchi, et al. (PRL’99,SSC’99)
S. Das Sarma and D. W. Wang (PRL’00,PRB’01)
“1D exciton Mott transition”
研究のねらいと背景 （JST-CREST’02-’07）
ダブルへテロ構造レーザー
低次元化 ⇒状態密度の尖鋭化
量子井戸レーザー
⇒低閾値・高微分利得
量子細線レーザー
⇒省電力・高速化
量子箱レーザー
日本が先導してきたナノテクノロジーの中心的な研究指針
構造ゆらぎ（界面の凹凸）による電子状態のボケが問題
構造均一性の極めて高い半導体量子細線を用いて量子細線レー
ザーを作製し，低閾値電流や高微分利得など、超高速・超省電力
に直結する高性能を検証し、低次元化の特徴をとらえる。
状態密度の考察だけではなく、多体電子間相互作用の効果
を入れた理論と、現実に即した数値計算・シミュレーションが必要。
Absorption/gain measurement based on
Hakki-Paoli-Cassidy’s analysis of
Fabry-Perot-laser emission below threshold
A  (1  R) 2 e l
I (E) 
(1  R  e l ) 2  4R  e l sin 2 θ
1  1 p 1 
   ln 

l  R p 1 
I sum /FSR
p
I min
 ：Absorption coeff.
R ：Reflectivity
n l  E

c
D. T. Cassidy JAP. 56 3096 (1984)
Free Spectral Range
B. W. Hakki and T. L. Paoli JAP. 46 1299 (1974)
Previous works of absorption spectra
in quantum wires
Numerical calculations
Physical picture of 1D exciton–plasma transition
the exciton Mott transition
Increase of e–h pair density causes
・ reduction of exciton binding energy
・ red shift of the band edge
(band-gap renormalization (BGR))
eg. D. W. Wang and S. Das Sarma,
PRB 64, 195313 (2001).
Our PL results show
 no energy shift of the exciton
band edge
 plasma low-energy edges appear
at the bi-exciton energy positions,
and show BGR
 no connection, but coexistence
of two band edges
band edge
exciton level
no level-crossing between the band
edges and the exciton level
F. Rossi et al. (PRL’96)
Quasi-equilibrium optical absorption
Polarization equation
Without Coulomb
A: 1 x 104 cm-1
B: 5 x 105
C: 1 x 106
D: 4 x 106
Room temperature
With Coulomb
0
Coulomb correlations
•Suppression of band edge
•Mott transition at 1 x 106
•Modification of absorption spectra
by Coulomb correlations
F. Tassone et al. (PRL’99)
Self-consistent ladder approx. (SCLA)
electron hole
Same mass
Missing long-range effects
•Excitonic gain at n = 0.21
•Gain due to e-h plasma at high density
•Blue shift of BGR
Gain peak
Exciton PL peak
It is difficult to evaluate BGR
from PL.
Dynamical Bethe-Salpeter equation
D. W. Wang et al. (PRB’01)
•No gain
•Absence of Mott transition
7 x 7 nm T-wire, T=10K
D. W. Wang et al. (PRB’01)
PL spectra in a V-groove quantum wires
R. Ambigaphthy, et. al. PRL 1997
PL spectra T=10K
L. Sirigu et al. (PRB’00)
V-wires
PL spectra in a V-groove quantum wires
T. Gullet et. al. PRB 2003
T. Guillet et al. (PRB’03)
Mott transition form an exciton gas to a dense plasma
in very-high-quality V-wire
Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) L748-L750
Room Temperature-Continuous Wave Operation of GaInAsP/InP
Multiple-Quantum-Wire Lasers by Dry Etching and Regrowth Method
H. Yagi, T. Sano, K. Ohira, T. Maruyama, A. Haque and S. Arai
Tokyo Institute of Technology, CREST, JST
20周期量子細線レーザーの温度特性
T型量子細線レーザーの動作は
低温に限られる。
最高記録は、
単一量子細線レーザー
60Kまで。
20周期量子細線レーザー
150Kまで。
単一量子細線レーザーの発振スペクトル
Arm well
Arm well
温度の増加とともに、高エネルギー側のArm wellの発振が顕著になる。
Absorption at higher temperatures by Cassidy
Hayamizu et al. unpublished
Evolution of continuum
Takahashi et al. unpublished