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n 型ドープ GaAs 量子細線の 発光および発光励起スペクトル測定

n 型ドープ GaAs 量子細線の 発光および発光励起スペクトル測定. 東京大学物性研究所 ,CREST （ JST ） ,Bell Lab 井原章之 , 早水裕平 , 吉田正裕 , 秋山英文 , Loren N.Pfeiffer,Ken W.West. １、背景と目的 ２、サンプルの構造 ３、細線のＰＬ・ＰＬＥ測定. ４、低電子濃度のＰＬ・ＰＬＥ ５、高電子濃度のＰＬ・ＰＬＥ ６、２次元系との比較 ７、まとめ. 吸収スペクトルの吸収端がべき的に発散するという効果 （ Fermi Edge Singularity ）が観測された。

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n 型ドープ GaAs 量子細線の 発光および発光励起スペクトル測定

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  1. n型ドープGaAs量子細線の発光および発光励起スペクトル測定n型ドープGaAs量子細線の発光および発光励起スペクトル測定 東京大学物性研究所,CREST（JST）,Bell Lab 井原章之,早水裕平,吉田正裕,秋山英文, Loren N.Pfeiffer,Ken W.West １、背景と目的 ２、サンプルの構造 ３、細線のＰＬ・ＰＬＥ測定 ４、低電子濃度のＰＬ・ＰＬＥ ５、高電子濃度のＰＬ・ＰＬＥ ６、２次元系との比較 ７、まとめ

  2. 吸収スペクトルの吸収端がべき的に発散するという効果 （Fermi Edge Singularity）が観測された。 G. D. Mahan, Phys. Rev. 153 (1967) 882. 背景と目的 バルク金属のX線吸収測定 二次元系 　半導体量子井戸における発光・吸収スペクトルの電子濃度依存性の測定で、　多体効果を反映した特長を観測。 　一次元系　 我々のグループは過去に、ドープ単一T型量子細線における発光スペクトルの電子濃度依存性を測定。 H. Akiyama et. al. Solid State Commun. 122 (2002) 169 量子細線におけるPL・PLEスペクトルの電子濃度依存性の測定

  3. 分子線エピタキシ・ 　　へき開再成長法で作製　 stem 電子濃度 1×1011 cm-2 ゲート電圧（Vg） 0.0～0.8V wire電子濃度 0～4×105 cm-1 arm電子濃度 0～1.3×1011 cm-2 温度 液体ヘリウム温度（5K） サンプルの構造

  4. 細線のPL・PLE測定 PLE測定のS/N比を向上させるために、実験配置は右図のようにした。 下図は、ゲート電圧をVg=0.15Vにした ときのPL・PLEスペクトル。 LH：light hole HH：heavy hole wire HH PLE arm LH stem LH arm HH PL stem HH Photon Energy (eV)

  5. 低濃度側 PL PLE 0.4V 大 ゲート電圧 Vg=0.0V～0.4V ③ 0.3V ② 電子濃度 0.2V ①neutral exciton (exciton) ②charged exciton (trion) ③FES ① 0.15V n1D ③ 0.1V 小 0.0V Photon Energy (eV) 理論：M. Takagiwa, T. Ogawa, 2001

  6. 高濃度側 PL PLE ② ① ③ 0.7V ゲート電圧 Vg=0.4V～0.7V 0.6V 0.5V electron plasma 0.4V 0.35V 0.25V ①Fermi Edge ②Band Edge ③？？？ 0.15V Photon Energy (eV)

  7. EF EF wire well 2次元系（armwell） との比較 （meV） （meV） 1.8 1.8 ④ ④ 1.5 1.5 exciton 吸収 1.1 1.1 ③ 0.8 0.8 ③ ② 0.5 0.5 ② 0.2 0.2 ① plasma 吸収 ① V. Huard et al. Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 187

  8. まとめ • 一次元ドープ半導体のPLEを、ゲート電圧で電子濃度を変えながら測定したのは今回が初めて。得られた結果のポイントは以下のとおり。 ・exciton吸収ピークのブルーシフト・急速な減衰。 ・trion吸収ピークはシフトせず、急速に減衰する。 ・FESの特徴である、べき的減衰の傾向。 • 二次元系におけるPLEスペクトルの電子濃度依存性も測定し、上記の傾向が次元に依って異なることが分かった。

  9. 光学系

  10. 計算 理想２次元系 理想１次元系 PL and PLE intensity [arb. Uuits] Photon Energy (eV) M. Takagiwa and T. Ogawa, 2001

  11. excitonのシフト 0.14V 3.5meV / V 0.12V • excitonのピークのうち、一番左側にある大きなピークのシフトの大きさは、3.5meV / Vだった。 • ＰＬの幅から見積もったEFの大きさについても • ΔEF ~3.5meV / Vであり、 excitonのピークシフト 0.10V 0.08V 0.06V 0.04V 0.02V 0.0V

  12. 他の２次元系 G. Yusa et. al., Phys. Rev. B 62 (2000) 15390 V. Huard et al. Phys. Rev. Lett. 84 (2000) 187

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