[論文レビュー] Localization and interaction of indirect excitons in GaAs coupled quantum wells

Alexander A. High, Aaron T. Hammack+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2008

Semiconductor Quantum Structures and DevicesPhysics and Astronomy参考文献 28被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、GaAs結合量子井戸において上昇した面内トラップ技術を導入し、間接的励起子の有効な冷却を実現した。これにより、不規則なポテンシャル中の個々の局在化励起子状態からの鋭いフォトリュミネッセンス線の観測が可能になった。主な発見は、励起子-励起子相互作用が高密度で支配的となる均一な線幅拡大を引き起こすことであり、局在化状態では1つのポテンシャル井戸に1つの励起子しか存在できないコウルボンブロッキングに類似した効果により、線幅拡大が最小限に抑えられる。

ABSTRACT

We introduced an elevated trap technique and exploited it for lowering the effective temperature of indirect excitons. We observed narrow photoluminescence lines which correspond to the emission of individual states of indirect excitons in a disorder potential. We studied the effect of exciton-exciton interaction on the localized and delocalized exciton states and found that the homogeneous line broadening increases with density and dominates the linewidth at high densities.

研究の動機と目的

• 不規則なポテンシャル内におけるGaAs結合量子井戸内の間接的励起子の局在化および相互作用効果を調査すること。
• 従来のトラップ技術の限界を克服するため、有効温度を低下させ、個々の励起子状態の分解能を向上させるために、上昇した面内トラップを導入すること。
• 双極子-双極子相互作用が、局在化と拡散化励起子状態の線幅およびエネルギー準位に与える影響を調査すること。
• さまざまな励起密度下での励起子発光スペクトルにおける、均一な線幅拡大と非均一な線幅拡大のメカニズムを区別すること。
• 局在化ポテンシャル井戸の最大占有数を特定し、不規則ポテンシャルへのスクリーニング効果の影響を評価すること。

提案手法

• パターン化された電極構造（ソース、ゲート、トラップ電極）を用いて、印加電圧により空間的に変調されたポテンシャルを生成する面内トラップを形成する。
• 周囲のゲート電極よりも中央のトラップ電極に低い電圧を印加することで、トラップ領域内の励起子エネルギーを周囲よりも高くし、上昇したトラップを形成する。
• 0.18 meVの分解能を持つフォトリュミネッセンス（PL）分光法を用いて発光スペクトルを測定し、空間分解能は2 μm、レーザー励起は約5 μmに焦点化する。
• 理論的モデリングでは、励起子-励起子散乱、励起子-格子振動子散乱、再結合寿命に起因する均一な線幅拡大（Γ_hom）の式を用い、主要パラメータは双極子-双極子相互作用ポテンシャルから導出する。
• 非均一な線幅拡大は不規則ポテンシャルの振幅関数としてモデル化され、スクリーニング効果は有効不規則ポテンシャルの密度依存的低下を含めて扱う。
• 理論的線幅は、運動量およびエネルギー空間における積分を用いて計算され、温度依存要因および非弾性および弾性過程の散乱行列要素を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 上昇したトラップ技術は、不規則なポテンシャル内での個々の励起子状態の分解能をどのように向上させるか？
• RQ2 励起子-励起子相互作用は、局在化および拡散化励起子状態の線幅にどのように寄与するか？
• RQ3 高励起子密度下で、長距離不規則ポテンシャルのスクリーニングは非均一な線幅拡大をどの程度低減するか？
• RQ4 多数体相互作用によって、個々のポテンシャル井戸の占有が制限されるか。その影響はスペクトル線幅の形にどのように現れるか？
• RQ5 励起子密度の増加に伴い、均一な線幅拡大と非均一な線幅拡大の相対的寄与はどのように変化するか？

主な発見

• 上昇したトラップ領域では、全幅半最大（FWHM）が0.18 meVにまで低くなる鋭いフォトリュミネッセンス線が観測され、個々の局在化励起子状態の分解能が達成された。
• 通常のトラップでは、FWHM >1 meVの構造のない発光スペクトルが観測され、不規則性による強い非均一な線幅拡大を示したが、上昇したトラップによりこの効果が抑制された。
• 均一な線幅拡大は励起子密度に比例して増加し、高密度域では支配的となり、Γ_hom ≈ ħ/τ_x-x は多数体散乱モデルから導出された。
• ライン2の局在化状態では、エネルギー差の増加に伴い強度比が飽和したため、双極子-双極子反発により1つのポテンシャル井戸に1つの励起子しか存在できない最大占有状態が示された。
• 推定された励起子局在化長（l_loc ~ 10 nm）は、励起子ボーア半径よりも小さく、局在化状態におけるコウルボンブロッキングに類似した挙動を支持する。
• 理論的モデリングにより、局在化状態の均一な線幅拡大は拡散化状態よりも小さいことが確認された。これは、散乱の最終状態が利用可能な状態がエネルギーギャップεにより抑制されるためである。