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・trion・フェルミ端特異性) 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、および実験方法＜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＜実験方法＞発光（PL）と発光励起（PLE）スペクトル測定 ≒吸収スペクトル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  2 me 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）