半導体二次元界面に於ける励起子集団のコヒーレント伝播と多体効果

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11215208
• 研究機関: 大阪市立大学
• 研究代表者: 唐沢 力 大阪市立大学, 理学部, 教授 (90106336)
• 研究分担者: 飯田 武 大阪市立大学, 理学部, 教授 (80047191) ; 中山 正昭 大阪市立大学, 工学部, 教授 (30172480) ; 赤井 一郎 大阪市立大学, 理学部, 助教授 (20212392) ; 溝口 幸司 大阪市立大学, 理学部, 助教授 (10202342)
• キーワード: 高密度励起子 / Gase / BiI_3積層欠陥励起子 / GaAs / AlAs超格子 / タイプ-II超格子・量子井戸 / 励起子のポーズ凝縮 / 励起子の超流動 / 光誘起相転移

研究概要

(a)層状結晶GaSe励起子およびBiI_3結晶中の積層不整界面に局在する擬二次元励起子(SFE)を、ピコ秒色素レーザーを用いて高密度に生成し、ポンプ・プロ―ブ吸収、ポイント励起発光スぺクトル、2光束空間分離励起四光波混合スぺクトルなどに空間分解分光法を適用してその空間的挙動を調べた。その結果、励起光強度の増加に応じてより広い空間域へ拡がる励起子成分が検出された。SFE系においては、この成分がコヒーレントな集団運動を行い、非線形光放射過程にも寄与していることを見出した。またGaSe系ではこれらの成分が誘導放射過程を引き起こすことも明らかになった。これらの励起子集団を励起子間相互作用による光誘起凝縮相として位置付け、古典的波動方程式での解析を行った。
(a)半導体超格子・量子井戸構造における電子・正孔量子化状態の空間配置と励起子状態の制御を課題として研究した。GaAs/AlAs超格子では、電子と正孔が同一空間(GaAs層)に閉じ込められた「タイプ-I構造」とAlAs、GaAs両層に空間分離された「タイプ-II構造」を電場で制御できることを示した。さらに、 タイプ-II超格子における発光特性の励起強度依存性から、励起子分子形成と電子・正孔プラズマへの転移に関する知見を得た。また、InGaAs/GaAs歪み量子井戸系のタイプ-II励起子遷移を調べた。
(a) 理論的取組みとして、巨視的量子現象である超流動の可能性を、タイプII量子井戸励起子系で調べた。この系では構成電子-正孔は空間分離のため輻射寿命が長く、ポラリトン効果が無視でき、重心運動は二次元ボソン系として扱えて、電子正孔層で電流を伴なう。本年度得た主な結果は、1)励起子間相互作用は一定条件下で斥力である、2)励起子対は密度とそれに共役な位相で表せ、Sine-Gordon型方程式で記述できる、3)層内と層間での有効電流は連続方程式を満たす、4)外部電流が臨界値以上で、層内・層間電流は量子渦格子構造を持つ長距離秩序状態を形成して超流動となる。

研究成果

• [文献書誌] T. karasawa, H. Mino, M. Yamamoto: "Spatial Evolution of Correlated Exciton Polaritons and Their Detection by use of Four-Wave-Mixing Signals"J.Lumin.. (印刷中).
• [文献書誌] H. Mino, M. Yamamoto, T. Kawai, I. Akai, T. Karasawa: "Anomalose Behavior of the High-Density Excitons and their Nonlinear Optical Response in a Quasi Two-Dimensional Space in a Layered Crystal Bil_3"J. Lumin.. (印刷中).
• [文献書誌] M. Yamamoto, H. Mino, I. Akai, T. Karasawa, V. F. Aguekian: "Space-Resolved Luminescence and Four-Wave-Mixing Specera of Heavily Photo-Created Exciton States in a Layered Crystal CaSe"J. Lumin.. (印刷中).
• [文献書誌] A. Tanji, I. Akai, K. Kojima, T. karasawa, I. Akai: "Exciton Transitions in the Hexagonal Cul Microcrystallites Grown on Polymers"J. Lumin.. (印刷中).
• [文献書誌] T. Iida, M. Tsubota: "Order Formation and Superfluidity of Excitions in Type-II Seimiconductor Quantum Wells"Rhys. Rev.. B60, No. 8. 5802-5810 (1999)
• [文献書誌] T. Iida, M. Tsubota,: "Superfluidity of Excitions in Type-II Semiconductor Quantum Well"J. Limin.. (印刷中).
• [文献書誌] H. Nitta, M. Suzuki, T.Iida: "Calculation of One-and two-photon absorption spectraof crystalline C_<60>"Solid State Commun.. 109, No. 4. 283-288 (1999)
• [文献書誌] M. Suzuki, T. Iida, K. Nasu: "Relazation of Exdcuiton and Phtooinduced Dimerization in Crystalline C_<60>"Phys. Rev.. B61, No. 3. 2188-2198 (2000)
• [文献書誌] K. Bando, I. Akai, T. Karasawa, K. Inoue, H. nakajima: "Optical Properties of Al_xGa_<1-x>As/AlAs Quantum Wires under High Density Excitation"Prccedings of the Third SANKEN International Symposium; Advanced Nanoelectronics: Devices, Materials, and Computing. Special Issue 57. 281-282 (2000)
• [文献書誌] N. Ohtani, M. Nakayama: "Electric-field-induced combination of Wannier-Stark localization and type-I-type-II crossover in a marginal type-I GaAs/AlAs superlattice"Phys. Rev.. B61, No. 11 (印刷中). (2000)
• [文献書誌] M. Nakayama: "Excitonic processes in GaAs/AlAs type-II superlattices"J. Lumin. (印刷中).
• [文献書誌] M. Nakayama: "Oscillator strength of type-II light-hole exciton in InxGal-xAs/GaAs strained single-quantum wells"Physica E. (印刷中). (2000)
• [文献書誌] 新田仁,鈴木正人,飯田武: "電子格子強結合系での正孔注入による多重安定性の出現とその光学的性質"第10回光物性研究会 論文集. 101-104 (1999)
• [文献書誌] 小川善行、金 大貴、赤井一郎、唐沢 力、小松晃雄: "Hot-Wall法により作成した層状BiI_3の薄膜、微結晶における励起子発光と試料評価"第10回光物性研究会 論文集. 329-332 (1999)
• [文献書誌] 丹治 淳、赤井一郎、唐沢 力、小松晃雄: "PMMA基板上Hexagonal CuI微結晶における励起子・励起子分子の量閉じ込め効果"第10回光物性研究会 論文集. 189-192 (1999)
• [文献書誌] 三野弘文、山本勝哉、河相武利、赤井一郎、唐沢 力: "層状結晶BiI_3 中高密度励起子のコヒーレント伝播と光誘起空間凝縮相"第10回光物性研究会 論文集. 253-256 (1999)
• [文献書誌] 山本勝哉、三野弘文、赤井一郎、唐沢 力、V. F. Aguekian: "層状結晶GaSe中に高密度光励起された励起子の空間的挙動"第10回光物性研究会 論文集. 13-16 (1999)
• [文献書誌] 白坂康之、金 大貴、赤井一郎、唐沢 力: "層状半導体BiI_3 微結晶中の励起子の高密度化と格子緩和過程"第10回光物性研究会 論文集. 257-260 (1998)
• [文献書誌] 市田秀樹、中山正昭: "GaAs/AlAsタイプ-II超格子におけるタイプ電子・正孔プラズマ"第10回光物性研究会 論文集. 245-248 (1999)