et al. - 秋山研究室

Report
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 !!
関連発表
n型ドープGaAs量子細線における
PLEスペクトルの温度依存性(20pPSA-21)

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