n 型ドープ GaAs 量子細線の発光および発光励起スペクトル測定

東京大学物性研究所井原章之 , 早水裕平 , 吉田正裕 , 秋山英文 ,

Loren N.Pfeiffer,Ken W.West

１、背景と目的２、サンプルの構造３、ＰＬ・ＰＬＥの全体像

４、低電子濃度のＰＬ・ＰＬＥ５、高電子濃度のＰＬ・ＰＬＥ６、２次元系との比較７、結果・課題

導入 実験結果

背景と目的 低温でシャープなフェルミ面を持つ

系における光吸収や発光などの光学過程の研究は Mahan[1] に始まり、吸収スペクトルの吸収端がべき的に発散するという効果： Fermi Edge Singularity (FES) が、バルク金属の X線吸収測定において観測された。

最近では半導体における光吸収・発光スペクトルの電子濃度依存性が測定されるようになった。２次元系では Quantum Well (QW) における発光・吸収スペクトル測定において、FES や Band Gap Renormalization (BGR) などの、多体効果を反映した特徴が観測されている。

[1]G. D. Mahan, Phys. Rev. 153 (1967) 882.

[2] H. Akiyama, L. N. Pfeiffer, A. Pinczuk, K. W. West Solid State Commun. 122 (2002) 169

我々のグループは過去に、 Modulation doped single T-shaped Quantum Wire (QWR) における発光スペクトルの電子濃度依存性を測定した [2] 。１次元系における neutral exciton や charged exciton 、さらに electron plasma の発光を測定したところ、高電子濃度における発光スペクトルはＦＥＳを示唆していた。

Modulation doped single T-shaped QWR における発光および発光励起スペクトルの電子濃度依存性を測定し、１次元系の多体効果を調べることが本実験の目的である。

分子線エピタキシー・へき開再成長法で作成した単一 T 型量子細線

size ： 14nm×6nm Si delta dope : 4×1011 cm-2 。

　→　 stem 電子濃度： 1×1011 cm-2

Vg : 0.0 ～ 0.8V

wire 電子濃度 : 0 ～ 4× 105 cm-1

arm 電子濃度 : 0 ～ 1.3× 1011 cm-2

励起光 : wire に垂直な偏光、 [110] 方向

検出 :wire に平行な偏光成分、 [001] 方向

点励起 spot size ~ 1μm 、 power ~ 40μW T ： 5K

サンプルの構造

1.55 1.57 1.59 1.61 1.63 1.65

wire HH

PLE　⊥－ //

PL　⊥－ //

PL ・ PLE の全体像

※１　 H. Itoh, Y. Hayamizu, M. Yoshita, H. Akiyama, Appl. Phys. Lett. 83 (2003) 2043

stem LH

stem HH

arm HH

Vg = 0.15V

黒線 ⊥ 励起光で、 wire の発光の// 成分をモニタしたときのPLE

赤線 ⊥ 励起光で stem を励起した時の PL の // 成分

Photon Energy [eV]

arm LH

PL

and

PLE

Inte

nsity

(ar

b.un

its)

1.5721.5681.564

Photon Energy (eV)

PL

and

PLE

Int

ensi

ty (

arb.

units

)1.5721.5701.5681.566

Photon Energy (eV)

0.0V

0.1V

0.15V

0.2V

0.3V

0.4V

①

②

③

④

①neutral exciton (exciton)

②charged exciton (trion)

③FES

④electron plasmaP

L an

d P

LE I

nten

sity

(ar

b.un

its)

1.5721.5701.5681.566

Photon Energy (eV)Photon Energy [eV]

低濃度側

※１ H. Akiyama et al. Solid State Commun. 122 (2002) 169

PLEPL

③

PL

and

PLE

Inte

nsity

(arb

.uni

ts)

1.5761.5721.5681.564

Photon Energy (eV)

PL

and

PLE

Inte

nsity

(arb

.uni

ts)

1.5761.5721.5681.564

Photon Energy (eV)

0.25V

0.35V

0.4V

0.5V

0.6V

0.7V

0.15V①Fermi Edge

②Band Edge

③？？？

①②

③高濃度側

電圧をさらに上げると、電子濃度はさらに高くなり、下図で現される electron plasma 状態のスペクトル形状を示すようになる。

Photon Energy [eV]

PLEPL

P

L a

nd

PL

E I

nte

nsi

ty (

arb

.un

its)

1.5721.5701.5681.566

Photon Energy (eV)

低濃度における計算との比較

※１　 M. Takagiwa, T. Ogawa, To be published

①

0.0V

0.1V

0.15V

0.2V

0.3V

①

②

②

③

④

④

③

計算と実験の比較① 　 exciton の吸収

E(exciton) ～ Eg+2EF－Eb 　

となる。 実験的には、 EF

に比例したブルーシフトが観測された。② 　 trion の吸収

E(trion) ～ Eg+EF－ 2Eb

となる。 Eb=2.3meV 。シフトは観測されなかった。③ 　 FES（べき的な立下り）④ 　高電子濃度領域計算では、電子プラズマ状態の吸収スペクトルを正確に反映していない。

計算 実験

PL a

nd P

LE i

nten

sity

[arb

. Uui

ts]

③

PL

and

PLE

Int

ensi

ty (

arb.

units

)

1.5761.5721.5681.564

Photon Energy (eV)

PL a

nd P

LE In

tens

ity (a

rb.u

nits

)

1.5881.5841.580

Photon Energy (eV)

1.1

0.8

0.2

1.5

1.8

2 次元系（ arm）との比較 arm

①①

②

②

③

③ 0.5

wire比較点

① Ebwire では、 Eb=2.3meV

arm では、 Eb= 1.4meV

② wire ：ブルーシフト・急速な減衰。arm ：ブルーシフト・ブロードニング。

③trion吸収

wire ：急速な減衰・なだらかな吸収の立ち上がりへ。arm ：ブルーシフト・ブロードニング。

④ wire ：不思議な吸収。arm ： trion の吸収ピークからなめらかに繋がる。 PL の立下りから考えても、 Fermi Edge に近い。

EF

（ meV）

1.1

0.8

0.2

1.5

1.8

0.5

EF

（ meV）

exciton吸収

plasma吸収

④ ④

結果と今後の方針 一次元系で初めて、電子濃度を増加させたときの

exciton 吸収ピークのブルーシフト（ EF に比例）を観測。

電子濃度を増加させたとき、 exciton や trion の吸収ピークが急速に減衰する（１次元性を反映）。

一次元系の吸収スペクトルにおける FES が観測されたが、減衰のべきの値などの詳しい研究のためには、サンプルの品質を上げる事が必要。

高濃度領域の吸収スペクトルが不思議な傾向を示した。さらに詳しく調べるために、電子のドープ量を変えたサンプルを作成する。

次元性をさらに詳しく調べるため、 arm の厚みを変えたサンプルの作成する。

cw Ti:Sa laser 、対物レンズ、0.75m 高分解分光器を用いた点励起顕微分光測定。

サンプルはクライオスタット内で液体ヘリウム温度 (5K)に保たれている。

点励起光は [110] 方向、パワーは 40μW 、対物レンズはN.A.=0.4 で、スポットサイズは 1μm 。焦点深度は 3μm 程度。

検出は [001] 方向。偏光フィルターはレーザー散乱光をカットするために使用。対物レンズは N.A.=0.5 、結像レンズは f=20cm（ 40倍）。

バンドルファイバーに結像させて分光器に導入。分光器の分解能は 0.15meV 。

光学系

PL

and

PLE

Int

ensi

ty (

arb.

units

)

1.5701.5681.566

Photon Energy (eV)

0.0V

0.02V

0.04V

0.06V

0.08V

0.14V

0.10V

0.12V3.5meV / V

exciton のピークのうち、一番左側にあるピークのシフトの大きさは、 3.5meV / Vだった。

ＰＬの幅から見積もった EFだの大きさについても ΔEF ~3.5meV / V であり、 exciton のピークシフト