掺杂T型半导体量子线的量子限域效应与有效库仑作用

白凌志 王廷栋 刘 月 程 诚 张 伟 怀 平

（中国科学院上海应用物理研究所 上海 201800）

半导体纳米系统是相当活跃的前沿研究领域，Kapon等[1]于1989年制备了首个V型砷化镓量子线，2002年日本东京大学和美国Bell实验室的研究组改进了分子束外延(MBE)生长工艺、制备了T型砷化镓量子线[2]。相比于体材料半导体，半导体纳米材料的载流子在多个空间维度上受到限制，其态密度非常集中。理想的一维电子气系统的态密度在带底呈现E–1/2形状发散。根据自由电子理论的预测，半导体纳米材料的吸收谱强度正比于态密度，将在带边呈现尖锐的吸收峰[3]。

掺杂半导体量子线中形成的准一维系统是很有意义的研究领域[4–6]。若无掺杂，半导体量子线中的电子与空穴的浓度相同，即中性状态。观测表明，中性量子线的连续带吸收边并无发散行为，吸收强度主要集中在激子吸收峰[7,8]，表明量子线中载流子间的库仑作用将显著改变吸收谱的性质[9]。基于半导体布洛赫方程的计算表明，在一维中性状态电子-空穴系统的光吸收谱主要由激子吸收峰与减弱的连续带吸收谱构成，与自由电子理论所预言的发散行为不同。中性量子线的多体效应研究主要集中于费米边吸收及带隙重整化效应[10–12]。

在电荷掺杂的情况下，半导体量子线的吸收谱发生很大改变。东京大学Akiyama等[13]在n型掺杂的砷化镓量子线中发现了类似一维态密度形状的尖锐吸收边，以及激子(Exciton)和带电激子(Trion)的吸收峰。具有一维态密度形状的吸收边在一定温度下可与费米面的吸收峰同时存在。……