外电场下不对称阶梯型量子阱的等离激元特性

宋亚峰++朱勤生++孔雄雄++焦壮壮

摘 要

我们研究了AlGaAs/GaAs不对称阶梯形量子阱中准二维电子气的集体激发色散关系随电场的变化特性。发现正向电场会使子带间等离激元模变短甚至消失，反向电场会使子带间等离激元模变变长。该子带间集体激发模波矢的有效大小取决于最低两能级的波函数交叠程度。这些特性可能有利于研究基于电场效应的阶梯形量子阱结构的器件。

【关键词】等离激元 集体激发 不对称阶梯形量子阱 电场

1 引言

近年来，准二维电子气系统中电子的集体激发特性（等离激元）在实验和理论上都取得了广泛的研究成果和应用前景。阶梯形量子阱具有打破选择定则、大的Stark效应、更低的阈值泵浦功率等独特优点。据我们所知，电场下不对称阶梯形量子阱中准二维电子气的集体激发中的空间不对称效应特性还没有被系统研究过。本文系统研究了AlxGa1-xAs/AlyGa1-yAs/GaAs/AlxGa1-xAs（y

2 理论模型

我们首先求解了电子在不对称阶梯形量子阱中的单电子一维薛定谔方程：

3 结果和讨论：不同外电场下的等离激元色散关系特性

基于以上模型，我们分别用数值方法计算了各种不同外电场对阶梯量子阱等离激元特性的影响。我们研究的阶梯量子阱参数为：GaAs深阱层宽度w=8nm、AlyGa1-yAs阶梯层铝组分y=0.15（对应阶梯层势垒高度约为120meV）、阶梯层宽度s=25nm、垒层AlxGa1-xAs的铝组分x=0.25（对应垒层势垒高度约为198meV）。

3.1 无外电场时的等离激元色散关系特性

图1为无外加电场时阶梯型量子阱的结构和能级波函数形貌图（左图）及相应的电子集体激发色散关系图（右图）。图中青色的实线为1→1子带内集体激发模，当它进入单粒子激发区“（1-2）SPEC”时会朗道阻尼为单粒子激发。粉色的实线为1→2子带间集体激发模。而红色的点虚线所包围的区域为单粒子激发区，分别为图上标注着的1-1子带内单粒子激发区“（1-1）SPEC”和1-2子带间单粒子激发区“（1-2）SPEC”。

3.2 正向电场下的等离激元色散关系特性

图2为电场强度为6kV/cm的正向电场下阶梯型量子阱的结构和能级波函数形貌图（左图）及相应的电子集体激发色散关系图（右图）。正向外电场（即左边接电源正极右边负极）下，阶梯阱趋于变成一个锯齿形的双三角阱结构。当E= +8kV/cm左右处最低两能级间距达到其最小值，这时两支等离激元模应该耦合。但子带间等离激元模的波矢很短以至于几乎消失了。这是由于最低两能级的波函数交叠太少导致的。

4 小结

总之，我们用Bohm-Pine的无规相近似的二子带模型，用数值计算方法系统研究了阶外加电场对AlGaAs/GaAs不对称阶梯形量子阱中等离激元色散关系特性的影响。发现正反电场效应的影响是非常不对称的。外电场的大小和正负可以很方便地控制子带内和子带间集体激发模之间的耦合与非耦合。而最低两能级的波函数交叠程度模的波矢的大小。这些特性可能为研究基于电场效应的阶梯形量子阱结构的器件应用等方面提供有益的参考。

参考文献

[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.

作者单位

1.商洛学院电子信息与电气工程学院物理系 陕西省商洛市 726000

2.中国科学院半导体研究所材料重点实验室 北京市 100083