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 me / mh ) e 吸収 発光 A D1j D 1 f e e L E g d I D1j D f e e f h h L E g d D ( ) 1 / 1D j ne 1 2me 2 1 e 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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