量子細線における１次元電子正孔系 の多体効果 物性研究所 秋山研 助手 吉田正裕 今回の発表内容 単一Ｔ型量子細線について CREST研究合同研究会(大阪大 2005.6.6-8) 量子細線における１次元電子正孔系 の多体効果 物性研究所 秋山研 助手 吉田正裕 今回の発表内容 単一Ｔ型量子細線について １．発光スペクトルのキャリア密度依存性 ２．吸収・利得スペクトルのキャリア密度依存性 --- 早水博士論文、原著論文（作成中）

研究目的 半導体量子細線における擬１次元電子正孔系の 高密度状態、多体効果の解明 ・ 電子状態 ・ 励起子Mott転移? ・ バンド端の収縮(BGR）? 電子正孔密度 励起子 低密度 電子正孔プラズマ(?) 高密度 関連： 　次元性の効果　---　3、2、0次元系との比較 　量子細線レーザーの発振メカニズム 　ドープ量子細線での１次元電子（ホール）系の多体効果

単一量子細線レーザー構造 Probability of Photon Probability of Electron Cavity length　500 mm Probability of Electron

ContinuousPL peak over 20 mm scan T-wire stem well T-wire stem well T=5K ContinuousPL peak over 20 mm PL width < 1.3 meV We characterized our sample by scanning micro-PL spectra for 1 micro m spot along the quantum wire. These were measured by 10 micro m steps for 500 micro m region. And for this 25 micro m region we made scan by finer 0.5 micro m steps. The high energy peaks are from stem well and the low energy peaks are from a quantum wire. (Arm well peak was not observed at this low pumping level.) These tiny low energy peaks of wire are attributed to localized excitons caused by monolayer fluctuation of the arm well thickness. In this region, there is no tiny peak of localized excitons, and this shows that the region without monolayer fluctuation extends over 20 micro m. This results prove the high quality of this quantum wire.

スペクトログラフ法による発光分光測定 顕微PL系 空間-エネルギー分解発光像 空間分解能 0.8 mm/CCD pixel エネルギー分解能 slit 空間分解能　 　　0.8 mm/CCD pixel エネルギー分解能 　　分光器slit幅 limit 分光器 ・試料配置 　細線　// スリット ・入射スリット上に 　試料像を結像 励起スポット ＋ 発光

量子細線の空間-エネルギー分解発光像 発光スペクトルの 空間分布 ・ 大きなキャリア拡散 ・ キャリア密度に分布 励起強度 細線方向 励起光 反射像@ grating 0nm slit 1mm 励起強度 細線方向 励起光 発光スペクトルの 　　　空間分布 レーザー励起位置 ・ 大きなキャリア拡散 ・ キャリア密度に分布

発光スペクトルの励起強度依存性(T=5K) PL intensity vs. excitation power

発光スペクトルの励起強度依存性(T=5K) PL intensity vs. e-h density

Spectral peak broadening 発光スペクトルの励起強度依存性(T=5K) Spectral peak broadening Electron-hole plasma A new peak appears Biexciton Exciton

Density Electron-hole Plasma Biexciton+Exciton Free Exciton n1D = 1.2 x 106 cm-1 (rs = 0.65 aB) aB ~13nm Electron-hole Plasma Density n1D = 1.2 x 105 cm-1 (rs = 6.6 aB) continuous evolution Biexciton+Exciton EB =2.8meV n1D = 3.6 x 103 cm-1 (rs = 220 aB) Free Exciton n1D ~ 102 cm-1 Yoshita et al., cond-mat/0402526 submitted to PRL (under appeal)

発光の励起強度依存性 (T=30 K) 励起子励起状態、連続状態は エネルギーシフトしない！ Constant exciton binding energy Screening effect : less important These results are not explained by the picture of the exciton Mott transition.

Similar results in QWs by Deveaud’s group (EPFL)

吸収スペクトル Point Waveguide Emission EB=14meV Good agreements with previous results Akiyama, et. al., APL 2003 Itoh, et. al., APL 2003 Point EB=14meV Waveguide Emission Polarization parallel to Arm well

吸収・利得スペクトル（強励起） Electron-Hole Plasma EBE EFE Absorption Gain 8.3mW Spontaneous emission Excitation Gain Absorption Waveguide emission 8.3mW

n1D (cm-1 ) e-h density T = 5K 3, Complete quenching of excitonic peak and generation of gain 7.1 x 105 5.6 x 105 2, Decreasing of exciton peak intensity with asymmetric shape 2.8 x 105 1.6 x 105 1, Constancy of excitonic peak energy 8.8 x 104 4.4 x 104

Excitonic absorption nonlinearities Mean Distance (nm) 100 20 50 ∞ Absorption intensity -17 % / 1x105 cm-1 Phase-space filling : important Many-body Coulomb effects : weak ref. excitonic nonlinearities in QW S. Schmitt-Rink et al. PRB 32, 6601 (1985).

T = 5K 3, Gain due to a degenerated electron-hole plasma Fermi Filling : important Fermi Filling : important Screening effect : less important 1, Constant exciton binding energy 2, Quenching of excitonic absorption

T = 5K PL Absorption e-h plasma e-h plasma exciton biexciton exciton Fermi filling ? Discrete peaks Continuous onset exciton biexciton exciton exciton

20周期細線の吸収・利得と発光スペクトル A gain peak appears at low-energy side of PL peaks. No similarity of gain peak with 1D DOS Coulomb correlation !?

まとめ 高品質単一Ｔ型量子細線の発光、吸収・利得スペクトルのキャリア密度依存性から１次元電子正孔系の多体効果を調べた。 １. 励起子から電子正孔プラズマへの移り変わり 発光 励起子　　　 → 励起子分子 　 → プラズマ発光 連続的な移り変わり 吸収 励起子吸収 → 連続的な吸収 → プラズマ利得 励起子クエンチング Phase-space fillingの効果 励起子Mott転移描像では説明できない。 2. 量子細線レーザー発振の利得起源 強いクーロン相互作用を伴った電子正孔プラズマ

End

Cassidy法による吸収/利得スペクトル解析 Hakki-Paoli-Cassidy法 Fabry-Perot fringes ：Absorption coeff. The waveguide emission spectra are represented by this equation. In the Cassidy’s method, we use the total intensity of the longitudinal modes peak “I sum” and minimal intensity “I min”. By using the ratio of I sum and I min, p, the absorption coefficients of each longitudinal mode are derived analytically by this equation. ：Reflectivity D. T. Cassidy JAP. 56 3096 (1984) Free Spectral Range B. W. Hakki and T. L. Paoli JAP. 46 1299 (1974)

Temperature dependence of absorption/gain spectra