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《电场下量子阱的子能带和光跃迁_夏建白》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、。,。第VOI37Not竹卷第期物理学报,s习rACTA).,年月IHYSICAsINICAJ胡1988电场下量子阱的子能带和光跃迁夏`建白黄昆(中国科学院半导体研究所)l,87年l月14日收到提要.,在稳定态的假设下将超晶格的有效质量理论推广到有电场的情形在隧道穿透比较小,.的情况下得到了与隧道共振方法一致的结果系统地计算了电场下宽量子阱中量子态子能级、波函数和光学矩阵元.发现量子阱中第二激发态的粒子密度偏移和能量位移与基态相反.,,.,二在电场下子能带基本形状不变二重简并解除随着电场增大▲二0跃迁选择定则将被”,.`.土l代替这种转变发生在中等大小的电场下一引吉、,~.,
2、,在这基础上,近年来在实验和理论上对量子阱在电场二下的性质进行了广泛的研究。s,提出了一些应用器件Mendez等人首先研究了电场对GaA量子阱光致荧光的效应川5c,他们发现在一个窄量子阱上(宽度30入)加一个中等大小的电场10一k0v/m就能很灵as一一:,s.,敏地减小或者甚至完全悴灭GAGallAA多量子阱的发光接着aBstard等人在理论上用变分法计算了电场下一个量子阱的子能级和跃迁矩阵元2[J.他们用电子和空穴,用波函数的重叠积分减小而引起光跃迁的减小来说明电场引在电场下向相反方向移动.,c,起的发光强度减小但是计算结果表明当电场为50kv/m时对于宽度为30入的量子
3、,,。,、确阱发光强度仅减小~3外不能解释实验实际上电场产生的附加势使得量子阱的一侧1,量子阱.势垒变成了一三角势垒(见图)中的电子或者空穴可以隧道穿透这一势垒因,,而只存在准稳态,此严格说来这时量子阱中不存在稳定态它们具有一定的寿命(由隧道.在,,,穿透几率决定)窄宽度的量子阱中由于能级较高相对来说三角势垒的宽度和高度,因此量子阱中电子态或空穴态寿命较短,造成了发光强度的悴灭.,如较小但另一方面10入),这时量子阱中最低的电子态和空穴态的寿命较长,果量子阱的宽度较大(大于近似地可以看作稳定态.Milerche而a等人对于宽度为10入左右的量子阱做了室温下电场对光吸收效应的实
4、验st,习.,,三维激子和在量子阱中的二维激子的他们发现在电场下。c,行为有很大的不同三维激子在很小的电场下(1x1.0V/m)就被电离而二维激子。.,。在电场高达8x1.0V/m时仍可分辨原因是很明显的对三维激子势垒是由电场势,它比量,.,和激子库仑势形成的子阱的势垒小得多因此很容易电离而对二维激子虽然电,.场能引起电子和空穴在阱中位移但是它们仍被约束在阱中而不易被电离M诅er等物理学报卷〔习人称这种现象为量子约束效应他们从理论上计算了无穷势垒和有限势垒的量子阱中,.量子能级和激子束缚能随电场的变化得到了与实验符合的激子峰的位置他们用隧道△,,共振的方法确定了有限势垒量子阱
5、中量子态的半宽度E发现当阱宽为95入电场高,.x104。m△lme,,达10v/时E仍是很小的(感oV)也就是寿命(~叼△E)是较长的证实了量子约束效应.在以上实验和理论研究的基础上,目前已提出了一些非线性的光学,.器件例如:利用GaAs/IAGaAs多量子阱中电场光吸收效应的光调制器`习和开关16等虽然Bastard[2]和le41,Milr[等人在理论上计算了电场下量子阱中的量子态并得到,、,了在一定程度上与实验符合的结果但是他们的理论都忽略了价带中重轻空穴的混合、..而对重因此他们的理论只适用于盖,一。的情形而事轻空穴分别计算它们的能级,,。.实上如果电场垂直于界面k仍
6、是一个好量子数为了计算电场下激子峰(或吸收峰).,除了考虑隧道穿透引起的线宽外,还必须考虑在,的宽度k方向子带色散引起的线宽,.另一方面,币忽略了第二、正他们都只计算了量子阱中最低量子态的能级第三量子能级,,n,如我们以下将证明的当电场增大时△~o的量子跃迁将逐渐地被△~士l的量子跃迁所代替,因此第二、.第三量子能级将变得逐渐重要,『7],最近黄昆等人提出了一个超晶格的有效质量理论利用有限个价带基态平面波展开的方法,直.接计算超晶格中价带的子能带和跃迁矩阵元这方法得到的结果和用腰势计算8[J,同时还可避免以往的有效质量理论9[]得到的结果是完全一致的中所采用的边界条,.,件变
7、分法处理等所带来的复杂性本文将在稳定态近似的假设下将这一理论推广到有,、电场的情形系统地计算电场下量子阱中价带导带子能带和光跃迁矩阵元随电场的变化规律。、二计算方法假设超晶格的价带波函数为7[J,’···*“““+“a二,。`。K,,*m,习一“+*,)l一书()份.护VL,,,,其中几为平行于界面方向的波矢及为垂直于界面方向的波矢L为超晶格的周期K~2可L.因此一丝<,K气<福-2)一(。,,,,,,(吞畏十,K玲是在势阱材料中波矢为(益反十mK)的价带态波函数(夕一12,.,3、)根据有效质退:理论
