Aki0510 JST poster2 by pHl9U7

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									   量子細線における光学利得と多体効果
       東大物性研 吉田正裕、秋山英文

ノンドープの光励起量子細線レーザーに対し、PL励起強度依存性測定、導波路
誘導放出光測定、キャシディーの方法による解析を行い、各キャリア濃度に対す
る光学利得スペクトルを求め、利得機構と電子間相互作用の効果を調べた。

ゲート電極を設けたn型ドープ単一量子細線FET型デバイスに対して、PLおよび
PLE測定を行い、キャリア濃度の変化に応じた吸収と発光における一次元状態密
度と電子間相互作用の効果を調べた。

電流注入型発光デバイスを試作し、I-V特性、EL、PLなどの計測評価を行った。
  量子細線レーザーの発振機構研究に関する研究背景

状態密度の先鋭化により量子細線レーザーの性能向上予測。
(1980頃、荒川・榊、浅田・宮本・末松)
T型量子細線レーザーの基底状態での発振。「レーザー発振の起源
はクーロン相互作用で形成された励起子によるものだ」との主張。
(1993、Wegscheiderら)
量子細線では励起子効果が強くバンドギャップ収縮はない。
(1997、Ambigapathy ら)
V型量子細線レーザーの発振起源は局在励起子との主張。
(2000、Siriguら)
T型量子細線レーザー発振と同時に
プラズマの発光を観測。
(2001、Rubioら)
高品質T型量子細線レーザーの発振
起源は、励起子ではなくプラズマ。但し
クーロン相互作用の影響が強い。
(2003、秋山ら)
                   cf
高品質単一量子細線レーザーの     Wegscheider
                   et al.
レーザー発振光と自然放出光の比較   PRL 1993




                                      spontaneous
                                       emission
                       cf                                       pump
                       Rubio et al.
                       SSC 2001                                          ARM
                                       stimulated          L1    L2      WELL
                                       emission

                                                WIRES

                                      490mW


                                      360mW



                                      333mW



                                      140mW



                                       5mW
                                                    1.56         1.58    1.60
                                                           Energy (eV)
単一量子細線のPLスペクトル(励起強度依存性)
                              aB ~13nm
                    n1D = 1.2 x 106 cm-1
                       (rs = 0.65 aB)

                  Electron-hole Plasma




               Density
                              n1D = 1.2 x 105 cm-1
                                  (rs = 6.6 aB)

                     Biexciton+Exciton
                         EB =2.8meV
                              n1D = 3.6 x 103 cm-1
                                  (rs = 220 aB)


                         Free Exciton
               n1D ~ 102 cm-1
                                M. Yoshita, et al.
Plot
Exciton band edge & plasma band edge (T=30K)

                      ▼ plasma band edge
                        (low energy edge of plasma PL)
                          starts at biexciton energy
                          and shows red shift.



                       ▼ exciton band edge,
                         (onset of continuum states)
                          exciton ground and excited states
                       show no shift.
キャシディー法による吸収スペクトル測定
 Single wire laser, uncoated cavity mirrors
                                              Excitation Light
                                              :cw TiS laser at 1.631eV
                                                Spectrometer
                                                with spectral
                                                resolution of
                                                  0.15 meV
  Cassidy’s
  Method                                                   Point


                                              Waveguide
                                              Emission


                                                Polarization
                                                parallel to
                                                Arm well
吸収利得スペクトル測定(キャシディー法)
                      Excitation Light
                      :cw TiS laser at 1.631eV
                                       Spontaneous
         Absorption    Spectrometer    emission
                       with spectral
 Gain                  resolution of
                         0.15 meV


                         Stripe shape
        Cassidy’s
        Method          Waveguide
                        Emission
             8.3mW


                        Polarization
                        parallel to
                        Arm well
吸収利得&発光スペクトルの
  電子正孔密度依存性

Electron-Hole Plasma
• Generation of gain and e-h
  plasma formation

• Large excitonic absorption
  non-linearity
  ⊿α/α=17%/105cm-1


Exciton
               Hayamizu et al.
20周期量子細線レーザーの利得と発光

                発光ピークの
                低エネルギーに
                利得発生


                励起子エネルギー
                での発光ピーク

                利得ピークの形状
                1D DOSとの相違
 20周期量子細線レーザーの吸収スペクトル
発振閾値以下

                温度上昇

                利得ピーク幅→大
                最大利得→小


               温度120K (発振せず)
                細線の利得→小
                Arm wellの利得→大
                 (キャリア分布の影響)
現在進行中の理論計算 by Huai and Ogawa (2005)
 14nmx6nm ドープ単一量子細線 FET 型デバイス
      による1D電子濃度制御と光学応答


            構造




                  GND




                        測定配置



T. Ihara et al.
井戸および細線における状態密度と電子間相互作用の効果
         (ドープ系の場合)
   自由電子近似理論                                    実験

                       2次元       exciton            1次元
                       電子系
                                                    電子系


                         trion

                                                     ?

                       Huard et al., PRL 84,
                       187 (1999)
•状態密度の特異性
•Fermi FillingやScreeningの効果
•励起子効果(excitonやtrion、FES:フェルミ端特異性な
ど)
電子濃度依存性@ 5K (1Dと2D)
温度依存性(高電子濃度) (1Dと2D)




BE :Band Edge   FE :Fermi Edge

     低温ではFE、高温ではBEに吸収ピークが現れる。
電流注入レーザー作製への道
まとめ
1) ノンドープ及びn型ドープ量子細線のキャリア濃度依存の発光・
吸収・利得スペクトルを全て取得した。
2) 光励起量子細線レーザーでは、電子正孔キャリア濃度の増加と
ともに励起子吸収が消失して連続的な吸収に変化し、やがて利得
が発生する様子が明らかになった。利得はフェルミレベル近傍に
ピークを持ち、1次元系におけるクーロン相互作用の特徴を強く反
映している。
3) n型ドープ単一量子細線FET型デバイスでは、1次元状態密度と
フェルミ分布を反映したモデル計算に一致する吸収スペクトルが得
られた。今のところフェルミ端異常などの多体効果は表れていない。
4) 電流注入レーザーは、まだレーザー発振に至っていない。光励
起でレーザー発振するかどうかを試したところ、多モードレーザー発
振が確認された。また、エレクトロルミネッセンスも観測され、ELスペ
クトルやI-V特性をもとに改善点の検討が進んでいる状況である。
設計、結晶成長、プロセス技術の改善を進めつつ、レーザー発振と
低しきい値電流の検証を目指す。
電子‐正孔系の量子相の解明

量子細線中の多電子-多正孔共存系では
    一体何が起きているのか?


大阪大学大学院理学研究科 小川グループ
小川哲生・・・非平衡相転移理論
浅野建一(助教授)・・・ボゾン化法・数値対角化法
冨尾祐(JST研究員)・・・動的平均場理論
高際睦起(助手)・・・ドープ系の結合クラスター理論
石川陽(DC)・・・電子-正孔液滴形成の量子論
稲垣剛(奈良先端大助手)
飯田勝(通総研研究員)


理論的研究のポイント
● 次元性と電子相関
● 非ドープ系(絶縁体)とドープ系(金属)
● 励起子Mott転移の存在/非存在,臨界現象
● 電子-正孔対凝縮(BECとBCS)の存在/非存在
● 時空間量子ダイナミクス,非平衡性
● 動的応答,(非)線形光学応答,非局所応答
● レーザー輻射場制御と電子相関
Lasing & many-body effects in quantum wires
 E. Kapon et al. (PRL’89)      Lasing in excited-states of V-wires
 W. Wegscheider et al.         Lasing in the ground-state of T-wires, no energy shift,
                 (PRL’93)      excitonic lasing
 R. Ambigapathy et al.         PL without BGR, strong excitonic effect in V-wires
                   (PRL’97)
 L. Sirigu et al. (PRB’00)     Lasing due to localized excitons in V-wires
 J. Rubio et al. (SSC’01)      Lasing observed with e–h plasma emission in T-wires
 A. Crottini et al. (SSC’02)   PL from exciton molecules (bi-excitons) in V-wires
 T. Guillet et al. (PRB’03)    PL, Mott transition form excitons to a plasma in V-wires
 Y. Hayamizu et al. (APL’02)   Single-mode lasing in a single T-wire
 H. Akiyama et al. (PRB’03)    Lasing due to e–h plasma, no exciton lasing in T-wires
 H. Yagi et al. (Arai group, RT-CW GaInAsP/InP wire lasers by etching & regrowth
              TIT)(JJAP’03) (23nmx7nmx5layers, ~100mA,800A/cm2,36%,<10000h)
Theories
 F. Rossi and E. Molinari (PRL’96)
 F. Tassone, C. Piermarocchi, et al. (PRL’99,SSC’99)
 S. Das Sarma and D. W. Wang (PRL’00,PRB’01)           “1D exciton Mott transition”
   研究のねらいと背景 (JST-CREST’02-’07)
 ダブルへテロ構造レーザー
              低次元化 ⇒状態密度の尖鋭化
 量子井戸レーザー
                   ⇒低閾値・高微分利得
 量子細線レーザー
                   ⇒省電力・高速化
 量子箱レーザー
   日本が先導してきたナノテクノロジーの中心的な研究指針

 構造ゆらぎ(界面の凹凸)による電子状態のボケが問題

構造均一性の極めて高い半導体量子細線を用いて量子細線レー
ザーを作製し,低閾値電流や高微分利得など、超高速・超省電力
に直結する高性能を検証し、低次元化の特徴をとらえる。

状態密度の考察だけではなく、多体電子間相互作用の効果
を入れた理論と、現実に即した数値計算・シミュレーションが必要。
  Absorption/gain measurement based on
  Hakki-Paoli-Cassidy’s analysis of
  Fabry-Perot-laser emission below threshold
                A  (1  R) 2 e l                           1  1 p 1 
I (E)                                                      ln      
        (1  R  e l ) 2  4R  e l sin 2 θ               l  R p 1 
                                                                 I sum /FSR
                                                              p
                                                                     I m in

                                                          :Absorption coeff.
                                                         R :Reflectivity
                                                             nl  E
                                                          
                                                              c
                                                    D. T. Cassidy JAP. 56 3096 (1984)
             Free Spectral Range             B. W. Hakki and T. L. Paoli JAP. 46 1299 (1974)
Previous works of absorption spectra
         in quantum wires


        Numerical calculations
       Physical picture of 1D exciton–plasma transition

  the exciton Mott transition                Our PL results show
Increase of e–h pair density causes        no energy shift of the exciton
・ reduction of exciton binding energy       band edge
・ red shift of the band edge               plasma low-energy edges appear
    (band-gap renormalization (BGR))        at the bi-exciton energy positions,
                                            and show BGR
     eg. D. W. Wang and S. Das Sarma,
         PRB 64, 195313 (2001).            no connection, but coexistence
                                            of two band edges
                              band edge

                                           no level-crossing between the band
      exciton level
                                           edges and the exciton level
  F. Rossi et al. (PRL’96)    Quasi-equilibrium optical absorption

                                     Polarization equation

Without Coulomb
A: 1 x 104 cm-1
B: 5 x 105                       0        Coulomb correlations
C: 1 x 106
D: 4 x 106


           Room temperature       •Suppression of band edge
            With Coulomb          •Mott transition at 1 x 106
                                  •Modification of absorption spectra
                                   by Coulomb correlations
F. Tassone et al. (PRL’99)
                             Self-consistent ladder approx. (SCLA)



                                     electron hole
                                           Same mass

                                   Missing long-range effects


                             •Excitonic gain at n = 0.21
                             •Gain due to e-h plasma at high density
                             •Blue shift of BGR

                               Gain peak        Exciton PL peak

                                It is difficult to evaluate BGR
                                 from PL.
                             Dynamical Bethe-Salpeter equation
                                 •No gain
D. W. Wang et al. (PRB’01)       •Absence of Mott transition

                             7 x 7 nm T-wire, T=10K
D. W. Wang et al. (PRB’01)
PL spectra in a V-groove quantum wires
 R. Ambigaphthy, et. al. PRL 1997
PL spectra T=10K   L. Sirigu et al. (PRB’00)
                           V-wires
PL spectra in a V-groove quantum wires
     T. Gullet et. al. PRB 2003
T. Guillet et al. (PRB’03)   Mott transition form an exciton gas to a dense plasma
                                                    in very-high-quality V-wire
Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 42 (2003) L748-L750
Room Temperature-Continuous Wave Operation of GaInAsP/InP
Multiple-Quantum-Wire Lasers by Dry Etching and Regrowth Method
H. Yagi, T. Sano, K. Ohira, T. Maruyama, A. Haque and S. Arai
Tokyo Institute of Technology, CREST, JST
20周期量子細線レーザーの温度特性


        T型量子細線レーザーの動作は
        低温に限られる。


         最高記録は、
         単一量子細線レーザー
              60Kまで。

         20周期量子細線レーザー
              150Kまで。
   単一量子細線レーザーの発振スペクトル

                             Arm well




                           Arm well




温度の増加とともに、高エネルギー側のArm wellの発振が顕著になる。
      Absorption at higher temperatures by Cassidy




Hayamizu et al. unpublished
Evolution of continuum




              Takahashi et al. unpublished

								
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