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 低密度 励起子 電子正孔密度 高密度 電子正孔プラズマ(?) ・ 電子状態 ・ 励起子Mott転移? ・ バンド端の収縮(BGR）? 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 Cavity length 500 mm Probability of Electron 空間分解顕微PLスペクトル T-wire stem well scan T-wire stem well T=5K Continuous PL peak over 20 mm PL width < 1.3 meV 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 分光器 空間分解能 0.8 mm/CCD pixel エネルギー分解能 分光器slit幅 limit slit ・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 反射像@ grating 0nm 細線方向 励起強度 slit 1mm 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 発光スペクトルの励起強度依存性(T=5K) Spectral A newpeak peakbroadening appears Excitonplasma Electron-hole Biexciton n1D = 1.2 x 106 cm-1 (rs = 0.65 aB) aB ~13nm Density Electron-hole Plasma continuous n1D = 1.2 x 105 cm-1 evolution (r = 6.6 a ) s B 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 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 A (1 R)2 e l I (E) (1 R e l )2 4R e l sin 2 θ 吸収・利得スペクトル（強励起） Spontaneous emission Electron-Hole Plasma Excitation GainEBE Absorption EFE 8.3mW Waveguide emission T = 5K n1D (cm-1 ) e-h density 7.1 x 105 5.6 x 105 3, Complete quenching of excitonic peak and generation of gain 2.8 x 105 1.6 x 105 8.8 x 104 4.4 x 104 0 2, Decreasing of exciton peak intensity with asymmetric shape 1, Constancy of excitonic peak energy Excitonic absorption nonlinearities Mean Distance (nm) 100 50 20 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 2, Quenching of excitonic absorption Fermi Filling : important 1, Constant exciton binding energy Screening effect : less important T = 5K PL Absorption e-h plasma e-h plasma 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 A (1 R) 2 e l I (E) (1 R e l ) 2 4R e l sin 2 θ 1 1 p 1 ln l R p 1 I sum /FSR p I min ：Absorption coeff. R ：Reflectivity nl E c 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
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