軽井沢合宿＠上智大学セミナーハウス (2004.10.9-11) GaAs T型量子細線における 高密度キャリア効果 秋山研　 吉田正裕.

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1 軽井沢合宿＠上智大学セミナーハウス (2004.10.9-11)
GaAs T型量子細線における 高密度キャリア効果 秋山研　 吉田正裕

2 研究背景 励起子プラズマ転移 低密度 高密度 ３次元（or ２次元）系 励起子Mott転移で説明 １次元電子正孔系 この描像は妥当? 励起子
( d >> aB ) ( d << aB ) (aB :励起子ボーア径) 電子正孔密度 の増加 励起子 高密度電子正孔プラズマ ３次元（or ２次元）系 励起子Mott転移で説明 ・ バンド端レッドシフト 　 (band-gap renormalization効果) ・ 励起子束縛エネルギー減少 １次元電子正孔系 この描像は妥当?

3 １次元電子正孔系における多体効果 １次元電子正孔系の特徴 クーロン相互作用の増大 多体効果の重要性 ---- 量子細線レーザーの発振起源
　クーロン相互作用の増大 　多体効果の重要性 量子細線レーザーの発振起源 量子細線の発光測定 R. Ambigapathy et al. BGRが観測されない。 強い励起子相関の存在 (PRL’97) A. Crottini et al. (SSC’02) 励起子分子発光の観測 T. Guillet et al. (PRB’03) 励起子から縮退電子正孔プラズマへの移り変わりの観測　　　　　　　　　 量子細線レーザーと発振メカニズム E. Kapon et al. (PRL’89) V型細線による最初の量子細線レーザー発振 W. Wegscheider et al. T型量子細線による基底状態レーザー発振 (PRL’93) 励起子発振 L. Sirigu et al. (PRB’00) 局在励起子によるレーザー発振 J. Rubio et al. (SSC’01) 励起子発振状態と電子正孔プラズマの共存 H. Akiyama et al. レーザー発振が電子正孔プラズマ起源 (PRB’03)

4 研究目的 高品質な単一Ｔ型量子細線における発光スペクトルの励起強度依存性を測定し、 　１次元電子正孔系における励起子状態から 　　高密度状態への移り変わりを調べる。 　１次元における励起子Mott転移描像の 　　妥当性について検討する。

5 Ｔ型量子細線構造 単一Ｔ型量子細線レーザー へき開再成長MBE法＋成長中断アニール法 Ｔ細線部分の拡大図 成長中断 アニール へき開
ref: 単一Ｔ型量子細線レーザーからの光励起レーザー発振 by Y. Hayamizu et al., APL 81, 4937 (2002).

6 Ｔ型量子細線の空間分解発光スペクトル ・ No monolayer fluctuation > 20 mm
T=5 K scan 細線が均一な領域 scan step: 0.5 mm scan length: 25 mm ・ No monolayer fluctuation > 20 mm ・ linewidth < 1.3 meV (cf. previous T wires ~10 meV)

7 細線発光の空間-波長分解発光像 分光器入射スリット上に発光像を結像させ、分散された発光スペクトルをイメージモードで測定。 細線方向への広がり
励起spot 位置 励起強度 細線方向への広がり キャリア拡散の効果 細線方向 （slit方向に平行となる様に配置。）

8 細線発光スペクトルの励起強度依存性 (T=4 K)
点励起： スポットサイズ: 0.8 mm 励起光エネルギー： eV 　　　　　(arm井戸励起) 検出： CCD binningを利用して、励起位置での発光のみを観測 空間分解能: 細線長手方向：0.8 mm 　　　　　　　　　（CCD pixel limit） 細線垂直方向：0.8 mm （スリット幅 limit） キャリア拡散効果の除去

9 発光スペクトルの励起強度依存性 （以前の測定結果）
発光スペクトルの励起強度依存性　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　　　　　　　　（以前の測定結果） 励起子発光ピークが残留 励起キャリア密度の空間分布による影響

10 発光スペクトルの解析(I) 積分PL強度 サイドピーク発光 vs. 励起子発光 pl pl+ex biex+ex

11 発光スペクトルの解析(II) 発光ピーク位置、発光線幅 pl pl+ex biex+ex

12 発光スペクトルの特徴 above 5×10-2 mW （higher density regime）：
　電子正孔プラズマ発光　（励起子発光の消失） around 2-5×10-2 mW （high density regime）： 発光線幅の増大　 　　　　励起子分子から電子正孔プラズマへ 　励起子発光が共存　・・・ 強いクーロン相関 励起強度 around 10-2 mW (intermediate regime)： 低エネルギー側に新たな発光ピークの出現 　　励起子分子発光　・・・　束縛エネルギー 2.8 meV 　　　 　　　　　　　　　　　　　 ・・・　superlinearに増加 below 10-4 mW (low density regime)： low 単一の発光ピーク(1.582eV) ・・・１次元励起子発光

13 励起子から高密度プラズマへの移り変わり 自由励起子から電子正孔プラズマへは、励起子分子を介してクロスオーバー的に移り変わる。
(1) 励起子分子の形成 n1D = 3.6 x 103 cm-1 (rs = 220 aB) 束縛エネルギー 2.8 meV (2) 電子正孔プラズマの形成 n1D = 1.2 x 105 cm-1 (rs = 6.6 aB) 励起子分子の発光エネルギー位置から出現 1D 電子正孔プラズマの特徴 (1) 発光ピーク位置のシフトがほとんどない（ < 2meV ） (2) キャリア密度に依存した発光線幅の増大 (3) 非対称な発光形状（しかし、1D-DOSとは類似していない） 強くクーロン相関した電子正孔プラズマ ( 特に、強い励起子分子相関 )

14 バンド端発光の励起強度依存性(T=30K) ▼：プラズマ発光の低エネルギー端 “excited” ： 励起子の励起状態（1.589 eV）
“onset” ： 　　励起子の高次励起状態と連続準位 ▼：励起子の連続状態端 （計算 by Itoh）

15 バンド端発光のキャリア密度依存性 励起子連続状態発光 (▼) エネルギーシフトしない・・・キャリア密度に無依存
プラズマ発光の低エネルギー端 (▼) (1) レッドシフト　・・・　BGR効果か? cf. ピーク位置 --- no energy shift 励起子分子の発光エネルギー位置より出現。 (3) 励起子連続状態のバンド端とは連続的に接続しない。 中間密度領域では、２つのバンド端が共存している。

16 １Ｄ励起子-プラズマ転移の物理的描像 励起子Mott転移の描像 本研究の結果 ↓ 電子正孔密度増加に伴い、 励起子のバンド端（連続状態）
　　はエネルギーシフトしない。 ・ バンド端のred-shift (BGR) ・ 励起子束縛エネルギー減少 プラズマ発光の低エネルギー端は 　　励起子分子位置より出現し、BGR 　　を示す。 eg. D. W. Wang and S. Das Sarma, PRB 64, (2001). 　プラズマバンド端と励起子準位は 　　エネルギー交差しない。むしろ、 　　共存している状態がある band edge exciton level ↓ most recent theory this evolution is treated by the Mott transiion 励起子モット転移の描像では 説明できない。

17 Ｔ型量子細線における高密度キャリア効果 ノンドープ量子細線 １次元電子正孔系 発光スペクトル ・・・本研究 の比較 吸収・利得スペクトル
＜参考＞ ｎドープ量子細線 １次元電子系

18 Electron-Hole Plasma Exciton Cassidy法による T = 5K 吸収利得スペクトル 励起強度の増大に伴い、
by 早水 励起強度の増大に伴い、 励起子によるピークと連続状態のエッジは、シフトせず、小さくなる。 励起子と連続状態の間に、連続的な吸収が 現れる。 Exciton 青線：吸収利得スペクトル(端面） 赤線：発光スペクトル（表面）

19 透過吸収利得スペクトルの励起強度依存性 by 高橋（和） ・連続状態の吸収は減少している。 ・連続状態の立ち上がりはシフトしてないようだ。
吸収係数 (cm-1) Ith 0.8 Ith Energy (eV)

20 ※Trionの束縛エネルギーEb=2meV
n-doped 1D wire (by 井原) Ef=6meV 高電子濃度 電子分布・正孔の 有効質量が影響 Ef=2meV me=0.067m0 mh =0.105m0 移り変わり FEはTrionの高エネルギー側のテールから現れる。 状態密度・電子分布が 影響した形状を示す。 低電子濃度 ※Trionの束縛エネルギーEb=2meV

21 まとめ 高品質単一Ｔ型量子細線における1次元励起子系の多体効果を顕微発光分光計測により調べた。
自由励起子から電子正孔プラズマへは、励起子分子を介してクロスオーバー的に移り変わる。 励起子バンド端はエネルギーシフトせず、キャリア密度の増加と共に消失する。 電子正孔プラズマバンド端（発光の低エネルギー端）はレッドシフトする。 励起子バンド端とプラズマバンド端とは交差しない。むしろ、共存している状態がある。 励起子Mott転移の描像では説明できない。 　　　　　　　　　　　---- 新しい物理描像が必要!!

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23 軽井沢合宿＠上智大学セミナーハウス (2004.10.9-11)
GaAs T型量子細線における 高密度キャリア効果 秋山研　 吉田正裕

24 研究目的 高品質な単一Ｔ型量子細線における発光スペクトルの励起強度依存性を測定し、 　１次元電子正孔系における励起子状態から 　　高密度状態への移り変わりを調べる。 　１次元における励起子Mott転移描像の 　　妥当性について検討する。

25 細線発光スペクトルの励起強度依存性 (T=4 K)
再測定による発光スペクトルの励起強度依存性 細線中での拡散効果によるキャリア密度の空間不均一分布の影響を最小化

26 細線発光スペクトルの励起強度依存性 (T=4 K)
励起子 励起子分子 電子正孔プラズマ

27 バンド端発光の励起強度依存性(T=30K) ▼：プラズマ発光の低エネルギー端 “excited” ： 励起子の励起状態（1.589 eV）
“onset” ： 　　励起子の高次励起状態と連続準位 ▼：励起子の連続状態端

28 研究背景 励起子プラズマ転移 １次元電子正孔系 励起子Mott転移で説明 この描像は妥当? 低密度 高密度 励起子 高密度電子正孔プラズマ
( d >> aB ) 高密度 ( d << aB ) 電子正孔密度 の増加 励起子 高密度電子正孔プラズマ １次元電子正孔系 励起子Mott転移で説明 ・ バンド端レッドシフト 　 (band-gap renormalization効果) ・ 励起子束縛エネルギー減少 この描像は妥当?

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30 MBE、へき開再成長法、成長中断アニーリング法によって作製した 高品質なT型量子細線 （本実験において1D limitを満たす）
ドープ試料と測定系 MBE、へき開再成長法、成長中断アニーリング法によって作製した 高品質なT型量子細線　（本実験において1D limitを満たす） 試料の特徴 ①stem wellに対するSiの変調ドープ。 ②ゲート電圧による電子濃度の調節。 ③wire・arm wellにそれぞれ１次元・２次元電子系を形成。 測定系の工夫 ①低温・弱励起での顕微分光。正孔の数はできる限り少なくしている。 ②励起・検出を互いに垂直にし、それらの偏光も直交させ、PLEのS/N比を向上（※）。 75 ※PLE：励起光の波長を走査させて発光量をモニターする。吸収スペクトルに相当。 クライオスタット内で5Kに冷却

31 吸収ピークの温度依存性（単一細線） 前の図との共通点を述べる。

32 透過吸収利得スペクトルの励起強度依存性 by 高橋（和） ・連続状態の吸収は減少している。 ・連続状態の立ち上がりはシフトしてないようだ。
オフセット20 cm-1 吸収係数 (cm-1) Energy (eV)

33 透過吸収スペクトル （by 高橋和） ・基底状態励起子の吸収線幅は1.6 meV。 ・T-wire の吸収は arm 偏光で強い。
単一量子細線レーザー 20周期多重量子細線レーザー arm 偏光 arm 偏光 stem 偏光 吸収係数 (cm-1) 吸収係数 (cm-1) Energy (eV) Energy (eV)

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