外電場(chǎng)下不對(duì)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(duì)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(chǎng)的變化特性。發(fā)現(xiàn)正向電場(chǎng)會(huì)使子帶間等離激元模變短甚至消失，反向電場(chǎng)會(huì)使子帶間等離激元模變變長(zhǎng)。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(jí)的波函數(shù)交疊程度。這些特性可能有利于研究基于電場(chǎng)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(duì)稱階梯形量子阱 電場(chǎng)

1 引言

近年來(lái)，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(shí)驗(yàn)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(chǎng)下不對(duì)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(duì)稱效應(yīng)特性還沒(méi)有被系統(tǒng)研究過(guò)。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(duì)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(chǎng)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(jì)算了各種不同外電場(chǎng)對(duì)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(duì)應(yīng)階梯層勢(shì)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(duì)應(yīng)壘層勢(shì)壘高度約為198meV）。

3.1 無(wú)外電場(chǎng)時(shí)的等離激元色散關(guān)系特性

圖1為無(wú)外加電場(chǎng)時(shí)階梯型量子阱的結(jié)構(gòu)和能級(jí)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(shí)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(shí)會(huì)朗道阻尼為單粒子激發(fā)。粉色的實(shí)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?yàn)閱瘟Ｗ蛹ぐl(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(chǎng)下的等離激元色散關(guān)系特性

圖2為電場(chǎng)強(qiáng)度為6kV/cm的正向電場(chǎng)下階梯型量子阱的結(jié)構(gòu)和能級(jí)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(chǎng)（即左邊接電源正極右邊負(fù)極）下，階梯阱趨于變成一個(gè)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(jí)間距達(dá)到其最小值，這時(shí)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(jí)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(wú)規(guī)相近似的二子帶模型，用數(shù)值計(jì)算方法系統(tǒng)研究了階外加電場(chǎng)對(duì)AlGaAs/GaAs不對(duì)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(chǎng)效應(yīng)的影響是非常不對(duì)稱的。外電場(chǎng)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(jí)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(chǎng)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。

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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(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京市 100083