量子細線における光学利得と多体効果

概要：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。

東大物性研　吉田正裕、秋山英文

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）

量子細線レーザーの発振機構に関する研究背景

Figure 2

stimulated emission

spontaneous emission

pump

490mW

360mW

333mW

140mW

5mW

ARMWELL

WIRES

L1 L2

1.56 1.58 1.60

Energy (eV)

cfRubio et al.SSC 2001

cfWegscheider et al.PRL 1993

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

Free Exciton

Biexciton+Exciton

Electron-hole Plasma

Den

sit

y

n1D = 3.6 x 103 cm-1 (rs = 220 aB)

n1D = 1.2 x 105 cm-1 (rs = 6.6 aB)

n1D = 1.2 x 106 cm-1

(rs = 0.65 aB)

n1D ~ 102 cm-1

aB ~13nm

EB =2.8meV

M. Yoshita et al.

単一量子細線の PL スペクトル（励起強度依存性）

PL スペクトルの解析 ・・・ PL 強度、線幅、ピーク位置PL 強度

ピーク位置

線幅

励起子とプラズマ状態からのバンド端発光 (T=30K)

▼ プラズマ発光でのバンド端 （プラズマ発光の低エネルギー端）

▼ 励起子発光でのバンド端 ( 励起子連続状態のオンセット )

• 励起子分子位置より出現• エネルギー位置のレッドシフト

• 励起子基底状態、励起状態とも、　　エネルギーシフトを示さない。

励起子 Mott 転移描像では説明できない。

Point

キャシディー法による吸収スペクトル測定

Excitation Light ： cw TiS laser at 1.631eV

WaveguideEmission

Polarizationparallel toArm well

Spectrometer with spectral resolution of

0.15 meV

Cassidy’s Method

Single wire laser, uncoated cavity mirrors

Excitation Light ： cw TiS laser at 1.631eV

WaveguideEmission

Polarizationparallel toArm well

Stripe shape

Spectrometer with spectral resolution of

0.15 meV

Spontaneousemission

吸収利得スペクトル測定（キャシディー法）

Cassidy’s Method

8.3mW

Gain

Absorption

• 励起子吸収に大きな非線形性

　　⊿ α ／ α ＝ -17% ／105cm-1

Electron-Hole Plasma

ExcitonHayamizu et al.

吸収利得＆発光スペクトルの電子正孔密度依存性

(A

bso

rptio

n (

cm-1)

P

hot

olu

min

esc

ence

(a

rb. u

nits

)

Pointexcitation

•　電子正孔プラズマによる 利得形成

20 周期量子細線レーザーの利得と発光

利得ピークの形状1D DOS との相違

発光ピークの低エネルギーで利得発生

強いクーロン相互作用の影響を示唆

20 周期量子細線レーザーの吸収利得スペクトル

温度上昇利得ピーク幅→大最大利得→小

発振閾値以下

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）

（温度依存性）

現在進行中の理論計算 　　　　　 by Huai and Ogawa (2005)

１次元電子正孔系の光吸収スペクトル

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　

T. Ihara et al.

GND

構造

測定配置

•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 )

Huard et al., PRL 84, 187 (1999)

自由電子近似理論

？

exciton

trion

２次元電子系 １次元

電子系

実験

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）

電子濃度依存性＠ 5K 　（ 1 Ｄと 2 Ｄ）

温度依存性（高電子濃度） （ 1 Ｄと 2 Ｄ）

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。

電流注入量子細線レーザー実現に向けて電流注入型Ｔ型量子細線レーザー構造

arm-stem injection arm-arm injection(Wegscheider ら APL 94)

電子正孔

arm-arm injection 型 T 細線レーザーの作製

T 細線レーザー構造 I-V 特性

arm GaAs 7.2nm

電極層 :井戸ドープC: 6x1011 cm-2

電極層 :井戸ドープSi: 6x1011 cm-2

端面ＥＬスペクトルのバイアス電流依存性

• 細線からのＥＬを観測　　　（レーザー発振は未）

EL

Inte

nsi

ty (

no

rma

lized

at w

ire

pe

ak)

細線の EL ピーク強度arm-arm injection

スペクトル分解端面 EL 像観察によるデバイス評価

Photon Energy (eV) Photon Energy (eV)

レーザー端面 EL の近視野像

I = 1 A （電流：小） I = 2.5 mA （電流：大）

• ~mA 以上から導波路結合した細線 EL• n, p 両電極においても発光再結合　　　　　　高い印加バイアスの影響か？

• 導波路（細線領域） EL 見えない。• n 電極側で発光再結合　　　　　　　正孔のみが注入

bulk wire wire

arm-stem injection 型 T 細線レーザーの作製

I-V 特性T 細線レーザー構造

x 15 prds.

1.14m

端面ＥＬスペクトルのバイアス電流依存性

wire

Liq. He Temp. I-Larm-stem injection

• 細線からの EL

　　　（レーザー発振未）• Fabry-Perot フリンジ　　　　　　　　　　を観測。

L1

L2

光励起によるレーザー発振の確認

レーザー構造は形成されている。

• 光励起での、多モード　レーザー発振

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） 2 種類の電流注入型細線レーザー構造を作製し、エレクトロルミネッセンスは観測されたが、まだレーザー発振には至っていない。光励起でのレーザー発振を試したところ、多モードレーザー発振が確認された。 ELスペクトル・ EL 像や 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) Lasing in excited-states of V-wiresW. Wegscheider et al. Lasing in the ground-state of T-wires, no energy shift, (PRL’93) excitonic lasingR. Ambigapathy et al. PL without BGR, strong excitonic effect in V-wires (PRL’97) L. Sirigu et al. (PRB’00) Lasing due to localized excitons in V-wiresJ. Rubio et al. (SSC’01) Lasing observed with e–h plasma emission in T-wiresA. Crottini et al. (SSC’02) PL from exciton molecules (bi-excitons) in V-wiresT. Guillet et al. (PRB’03) PL, Mott transition form excitons to a plasma in V-wiresY. Hayamizu et al. (APL’02) Single-mode lasing in a single T-wireH. Akiyama et al. (PRB’03) 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)

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)

Theories

“1D exciton Mott transition”

ダブルへテロ構造レーザー量子井戸レーザー量子細線レーザー量子箱レーザー

研究のねらいと背景　（ JST-CREST’02-’07 ）

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

低次元化 ⇒状態密度の尖鋭化 ⇒ 低閾値・高微分利得　　　　　 　⇒省電力・高速化

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。

θee

eE

ll

l

I22

2

sinR4)R1(

R)1(A)(

B. W. Hakki and T. L. Paoli JAP. 46 1299 (1974)

11

R1

ln1pp

l

min

sum/FSR

I

Ip

R ：Reflectivity

c

Eln

： Absorption coeff.

D. T. Cassidy JAP. 56 3096 (1984)

Absorption/gain measurement based on Hakki-Paoli-Cassidy’s analysis of Fabry-Perot-laser emission below threshold

Free Spectral Range

Previous works of absorption spectra in quantum wires

Numerical calculations

eg. D. W. Wang and S. Das Sarma, PRB 64, 195313 (2001).

・ reduction of exciton binding energy

・ red shift of the band edge (band-gap renormalization (BGR))

Physical picture of 1D exciton–plasma transition

Increase of e–h pair density causes

the exciton Mott transition Our PL results show

band edge

exciton level

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

no level-crossing between the band edges and the exciton level

F. Rossi et al. (PRL’96) Quasi-equilibrium optical absorption

Without Coulomb

With CoulombRoom temperature

Polarization equation

0A: 1 x 104

B: 5 x 105

C: 1 x 106

D: 4 x 106

•Suppression of band edge

•Mott transition at 1 x 106

•Modification of absorption spectra by Coulomb correlations

Coulomb correlationscm-1

F. Tassone et al. (PRL’99)

electron hole

Missing long-range effects

Same mass

Self-consistent ladder approx. (SCLA)

•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.

D. W. Wang et al. (PRB’01)

Dynamical Bethe-Salpeter equation

7 x 7 nm T-wire, T=10K

•No gain•Absence of Mott transition

D. W. Wang et al. (PRB’01)

R. Ambigaphthy, et. al. PRL 1997

PL spectra in a V-groove quantum wires

V-wires

PL spectra T=10K L. Sirigu et al. (PRB’00)

T. Gullet et. al. PRB 2003

PL spectra in a V-groove quantum wires

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-L750Room 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。

単一量子細線レーザー

20 周期量子細線レーザー

60Kまで。

150Kまで。

最高記録は、

単一量子細線レーザーの発振スペクトル

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。

Arm well

Arm well

Absorption at higher temperatures by Cassidy

Hayamizu et al. unpublished

Evolution of continuum

Takahashi et al. unpublished