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二維電子氣的集體激發色散關系隨電場的變化特性。發現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。該子帶間集體激發模波矢的有效大小取決于最低兩能級的波函數交疊程度。這些特性可能有利于研究基于電場效應的階梯形量子阱結構的器件。

【關鍵詞】等離激元 集體激發 不對稱階梯形量子阱 電場

1 引言

近年來，準二維電子氣系統中電子的集體激發特性（等離激元）在實驗和理論上都取得了廣泛的研究成果和應用前景。階梯形量子阱具有打破選擇定則、大的Stark效應、更低的閾值泵浦功率等獨特優點。據我們所知，電場下不對稱階梯形量子阱中準二維電子氣的集體激發中的空間不對稱效應特性還沒有被系統研究過。本文系統研究了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 結果和討論：不同外電場下的等離激元色散關系特性

基于以上模型，我們分別用數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為：GaAs深阱層寬度w=8nm、AlyGa1-yAs階梯層鋁組分y=0.15（對應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（對應壘層勢壘高度約為198meV）。

3.1 無外電場時的等離激元色散關系特性

圖1為無外加電場時階梯型量子阱的結構和能級波函數形貌圖（左圖）及相應的電子集體激發色散關系圖（右圖）。圖中青色的實線為1→1子帶內集體激發模，當它進入單粒子激發區“（1-2）SPEC”時會朗道阻尼為單粒子激發。粉色的實線為1→2子帶間集體激發模。而紅色的點虛線所包圍的區域為單粒子激發區，分別為圖上標注著的1-1子帶內單粒子激發區“（1-1）SPEC”和1-2子帶間單粒子激發區“（1-2）SPEC”。

3.2 正向電場下的等離激元色散關系特性

圖2為電場強度為6kV/cm的正向電場下階梯型量子阱的結構和能級波函數形貌圖（左圖）及相應的電子集體激發色散關系圖（右圖）。正向外電場（即左邊接電源正極右邊負極）下，階梯阱趨于變成一個鋸齒形的雙三角阱結構。當E= +8kV/cm左右處最低兩能級間距達到其最小值，這時兩支等離激元模應該耦合。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交疊太少導致的。

4 小結

總之，我們用Bohm-Pine的無規相近似的二子帶模型，用數值計算方法系統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系特性的影響。發現正反電場效應的影響是非常不對稱的。外電場的大小和正負可以很方便地控制子帶內和子帶間集體激發模之間的耦合與非耦合。而最低兩能級的波函數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的階梯形量子阱結構的器件應用等方面提供有益的參考。

參考文獻

[1]J.K.Jain and S.D.Sarma，Phys.Rev.B36（1987）59491.

[2]I.Grosu and L.Tugulan，Physica E40（2008）474–477.

[3]E.G.Mishchenko，M.Y.Peizer and L.I.Glazman，Phys.Rev.B69（2004）195302.

作者單位

1.商洛學院電子信息與電氣工程學院物理系 陜西省商洛市 726000

2.中國科學院半導體研究所材料重點實驗室 北京市 100083