発表者
梅村 裕奈(伊藤研)

指導教官
宮島 顕祐

Title
Fine structure and magneto-optics of exciton, trion, and charged biexciton states in single InAs quantum dots

Abstract
 Recently, semiconductor quantum dots (QDs) have attracted considerable attention as they exhibit novel optical and electronic phenomena. In QDs, the interaction between electrons and holes becomes large, and excitons (one electron-hole pairs) are easily ionized. Therefore, not only the neutral quasiparticles, for example, excitons and biexcitons (two electron-hole pairs), but also several exciton complexes, for example, charged excitons (trions) and charged biexcitons can be created.
 The authors measured photoluminescence spectra of individual InAs QDs by adopting high spatial resolution spectroscopy, and investigated detailed energy levels of the exciton complexes in strong-confinement system. Asymmetry of the QD structure induces anisotropic electron-hole exchange interaction, which results in the energy splitting of the exciton and excited trion states. Furthermore, by the measurement of magneto-PL spectroscopy in Faraday configuration, they observed Zeeman splitting and diamagnetic shifts.  The diamagnetic coefficient of the charged biexciton emission line shows the larger variation compared to that of the other complexes, although it should be the same value. On the other hand, the variation of the effective g factors for the exciton complexes are caused by the difference of the extension of the carrier wavefunctions, which depend on the shape and size of the QDs. In particular, the effective g factor changes sensitively by the difference between the extension of p-wavefunction for the electron and that for the hole.

タイトル
単一InAs量子ドットにおける、励起子・トリオン・荷電励起子分子状態の微細構造と磁気光学

概要
  半導体量子ドットは、新しい光学的・電気的な現象を示すため、注目されてきた。量子ドット中では、電子や正孔間の相互作用が大きくなり、また励起子(1電子-正孔対)が容易にイオン化する。そのため、励起子や励起子分子(2電子-正孔対)のみならず、荷電励起子(トリオン)や、荷電励起子分子などの様々な励起子複合体が生成される。
 著者らは、高空間分解能の分光法を用いて単一量子ドットの発光測定を行い、強閉じ込めを受ける励起子複合体の詳細なエネルギー構造の研究を行った。量子ドットの形状の非対称性は異方的な交換相互作用を引き起こし、それにより、励起子とトリオンの励起状態にエネルギー分裂が生じることがわかった。さらに、ファラデー配置での磁気分光法でゼーマン分裂及び反磁性シフトを観測した。反磁性係数は全ての励起子複合体において同じ値を取らなければならないが、荷電励起子分子発光では、大きな変化を示していた。一方、有効g因子の値の変化は、励起子複合体を構成するキャリアの波動関数の広がりの違いから生じ、それはドットの形や大きさに依存する。特に、p軌道における電子と正孔の波動関数の広がりの違いにより、有効g因子が大きく変化する事がわかった。

Reference

N.I.Cade, H.Gotoh, H.Kamada, H.Nakano, and H.Okamoto Physical Review B 73,115322 (2006)