外電場下不對稱階梯型量子阱的等離激元特性

宋亞峰++朱勤生++孔雄雄++焦壯壯

摘 要

我們研究了AlGaAs/GaAs不對稱階梯形量子阱中準(zhǔn)二維電子氣的集體激發(fā)色散關(guān)系隨電場的變化特性。發(fā)現(xiàn)正向電場會使子帶間等離激元模變短甚至消失，反向電場會使子帶間等離激元模變變長。該子帶間集體激發(fā)模波矢的有效大小取決于最低兩能級的波函數(shù)交疊程度。這些特性可能有利于研究基于電場效應(yīng)的階梯形量子阱結(jié)構(gòu)的器件。

【關(guān)鍵詞】等離激元 集體激發(fā) 不對稱階梯形量子阱 電場

1 引言

近年來，準(zhǔn)二維電子氣系統(tǒng)中電子的集體激發(fā)特性（等離激元）在實驗和理論上都取得了廣泛的研究成果和應(yīng)用前景。階梯形量子阱具有打破選擇定則、大的Stark效應(yīng)、更低的閾值泵浦功率等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。據(jù)我們所知，電場下不對稱階梯形量子阱中準(zhǔn)二維電子氣的集體激發(fā)中的空間不對稱效應(yīng)特性還沒有被系統(tǒng)研究過。本文系統(tǒng)研究了AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs/GaAs/AlxGa1-xAs（y

2 理論模型

我們首先求解了電子在不對稱階梯形量子阱中的單電子一維薛定諤方程：

3 結(jié)果和討論：不同外電場下的等離激元色散關(guān)系特性

基于以上模型，我們分別用數(shù)值方法計算了各種不同外電場對階梯量子阱等離激元特性的影響。我們研究的階梯量子阱參數(shù)為：GaAs深阱層寬度w=8nm、AlyGa1-yAs階梯層鋁組分y=0.15（對應(yīng)階梯層勢壘高度約為120meV）、階梯層寬度s=25nm、壘層AlxGa1-xAs的鋁組分x=0.25（對應(yīng)壘層勢壘高度約為198meV）。

3.1 無外電場時的等離激元色散關(guān)系特性

圖1為無外加電場時階梯型量子阱的結(jié)構(gòu)和能級波函數(shù)形貌圖（左圖）及相應(yīng)的電子集體激發(fā)色散關(guān)系圖（右圖）。圖中青色的實線為1→1子帶內(nèi)集體激發(fā)模，當(dāng)它進(jìn)入單粒子激發(fā)區(qū)“（1-2）SPEC”時會朗道阻尼為單粒子激發(fā)。粉色的實線為1→2子帶間集體激發(fā)模。而紅色的點(diǎn)虛線所包圍的區(qū)域為單粒子激發(fā)區(qū)，分別為圖上標(biāo)注著的1-1子帶內(nèi)單粒子激發(fā)區(qū)“（1-1）SPEC”和1-2子帶間單粒子激發(fā)區(qū)“（1-2）SPEC”。

3.2 正向電場下的等離激元色散關(guān)系特性

圖2為電場強(qiáng)度為6kV/cm的正向電場下階梯型量子阱的結(jié)構(gòu)和能級波函數(shù)形貌圖（左圖）及相應(yīng)的電子集體激發(fā)色散關(guān)系圖（右圖）。正向外電場（即左邊接電源正極右邊負(fù)極）下，階梯阱趨于變成一個鋸齒形的雙三角阱結(jié)構(gòu)。當(dāng)E= +8kV/cm左右處最低兩能級間距達(dá)到其最小值，這時兩支等離激元模應(yīng)該耦合。但子帶間等離激元模的波矢很短以至于幾乎消失了。這是由于最低兩能級的波函數(shù)交疊太少導(dǎo)致的。

4 小結(jié)

總之，我們用Bohm-Pine的無規(guī)相近似的二子帶模型，用數(shù)值計算方法系統(tǒng)研究了階外加電場對AlGaAs/GaAs不對稱階梯形量子阱中等離激元色散關(guān)系特性的影響。發(fā)現(xiàn)正反電場效應(yīng)的影響是非常不對稱的。外電場的大小和正負(fù)可以很方便地控制子帶內(nèi)和子帶間集體激發(fā)模之間的耦合與非耦合。而最低兩能級的波函數(shù)交疊程度模的波矢的大小。這些特性可能為研究基于電場效應(yīng)的階梯形量子阱結(jié)構(gòu)的器件應(yīng)用等方面提供有益的參考。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

1.商洛學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院物理系 陜西省商洛市 726000

2.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所材料重點(diǎn)實驗室 北京市 100083