一种利用稀磁半导体测量多量子阱耦合的方法

摘要

本发明涉及一种利用稀磁半导体测量多量子阱耦合的方法，其特征在于利用稀磁半导体中的巨塞曼分裂，用平行于生长方向的磁场调控阱深或垒高，对耦合多量子阱进行测量。并以Zn

说明书

技术领域

本发明涉及了一种利用稀磁半导体测量多量子阱耦合的方法，更确切地说本发明涉及一类II—VI族耦合多量子阱系统的能带结构随着量子阱阱深(垒高)变化的测量方法。

背景技术

利用(II，Mn)VI稀磁半导体材料中的巨塞曼分裂效应，在低温情况下(4.2K)，自旋向上和自旋向下的能态在平行于生长方向上的几个特斯拉的磁场作用下有多达几十至上百meV的能量分裂。利用这一特性，在多量子阱的阱(垒)中进行少量的Mn掺杂，可以认为构成阱(垒)材料的其它物理参数保持不变。对不同的自旋极化方向的跃迁，改变外加磁场的强度，等效于改变体系的阱深(垒高)参数，从而改变体系的能带结构和耦合行为。利用圆偏振光测量特定自旋方向的载流子的带间光吸收，可以得到阱深(垒高)对体系能带结构的影响[S.Lee等，Phys.Rev.B61，2120(2000)]。利用传统的实验方法，研究阱深(垒高)对耦合多量子阱能带结构和耦合行为，需要制备一系列参数得到严格控制的样品，成本高，样品制备难度高。同时，要改变阱深(垒高)，必须改变阱(垒)的合金组份，由此带来的合金无序、应力、界面粗糙等参数不同对实验结果的影响难以估计。

发明内容

本发明目的在于提供一种利用稀磁半导体测量多量子阱耦合的方法。采用本发明提出的方法，在不改变样品结构参数的情况下，可以在较大阱深(垒高)变化范围内，研究多量子阱能带结构的变化，同时避免了由于样品参数不同引入的如无序、应力等其它参数的不同对实验结果的影响，提高了实验精度和效率，降低了实验成本。相比于在微电子学、光电子学领域得到广泛应用的量子阱和耦合双量子阱，耦合多量子阱具有更多的可调整的参数，能够满足更复杂的技术应用。研究不同参数对耦合多量子阱的能带结构和耦合行为，能够促进这类体系在电子和光电子技术中的应用。

本发明提供的利用稀磁半导体测量多量子阱耦合的方法，其特征在于利用稀磁半导体的巨塞曼分裂，用平行于生长方向的磁场调控阱深或垒高，以测定耦合多量子阱能带结构的变化。

考虑激子效应的包含稀磁半导体的耦合多量子阱的哈密顿函数为

$+\frac{1}{8m}{\omega }_c^2{\rho }^2+U_{e,s-d}\left(z_e\right)+U_{h,p-d}\left(z_h\right)-\frac{e^2}{{4\mathrm{\pi ϵϵ}}_0\sqrt{{\rho }^2+{(z_e-z_h)}^2}}---\left(1\right)$式中、m_e(m_h)、m、e、ρ、z_e(z_h)、ε、ε₀、U_e(U_h)分别为普朗克常数、电子(重空穴)有效质量、电子-重空穴折合质量、电子电荷、x-y平面内电子空穴间的距离、电子(重空穴)生长方向上的坐标、真空介电函数、材料相对介电函数、电子(重空穴)限制势。ω_c是回旋频率，其值为eB/m，B为磁通量。式中U_e，s-d＝x_effJ_s-d<S_z(z_e)>s_z，U_e，p-d＝x_effJ_p-d<S_z(z_h)>J_z。它们描述了自由电子和Mn局域自旋之间的交换作用，其中x_eff是Mn的有效摩尔浓度；J_s-d＝N₀αJ_p-d＝N₀β/3是交换积分；s_z＝±1/2(J_z＝±3/2)是电子(重空穴)的自旋；<S_z>是Mn局域自旋在磁场方向上的热平均，其值由布里渊函数给出

$⟨\mathrm{Sz}⟩=\frac{5}{2}{B}_J\{{\mathrm{Sg}}_{\mathrm{Mn}}{\mu }_{B}B/\left[k_B(T+T_0)\right]\}---\left(2\right)$

其中B_J(x)为布里渊函数，g_Mn＝2是Mn²⁺的g因子，μ_B是波尔磁子，k_B是玻尔兹曼常数，T₀是居里温度。

在有效质量近似下，耦合多量子阱和光的相互作用有以下含时薛定谔方程描述：

其中γ是解相因子，E(t)是光场，μ是偶极矩阵元。此时光学极化率可以表示为：

式中Ω是体积。方程(3)和(4)可以在实空间进行数值求解[计算细节可参阅S.Glutsch et al.Phys.Rev.B 54，11592(1996)]。

本发明有如下的积极效果和优点：

1、仅需制备一片样品就可以进行实验，避免了样品制备过程中引入的误差，同时节约了成本、提高了效率和实验结果的精度。

2、给出了此类实验结果的理论分析方法，并编制了相应的数值计算程序。

附图说明

图1：计算中采用耦合多量子阱的结构，x取0.2，y取0.04。此时电子的有效质量为0.19m₀，重空穴的有效质量为0.66m₀，m₀为自由电子质量。导带和价带的阱深分别为0.17eV和0.08eV。

图2：磁场为0时耦合三量子阱的带间吸收谱。

图3：不同磁场强度下，由σ⁺和σ^-圆偏振光激发的耦合三量子阱的吸收谱。

具体实施方式

以Zn_0.8Cd_0.2Se/ZnSe对称耦合三量子阱为例，对本发明提出的实验方案的有效性在理论上进行了验证。采取的结构如图1所示，垒宽为1.5nm，使不同量子阱间存在强的耦合，在阱的两侧，各有6nm厚的ZnSe缓冲层，使处于基态和低激发态的激子波函数在缓冲层内衰减至0，消除边界对计算结果的影响。在中间阱中，进行了摩尔浓度约为0.04的掺杂。在此情况下，N₀α和N₀β的值为-0.27和0.90，T₀值为1.4K，计算取的温度为4.2K。

图2显示了磁场为0特斯拉时耦合多量子阱的吸收谱，由于耦合作用，hlel带间跃迁分裂为三重态。与不包括激子效应的吸收谱相比，电子-重空穴间的库仑吸引作用使台阶状吸收变为吸收峰，并向低能方向移动。两者对比可以得到激子基态的结合能约为36meV，在我们所取的材料参数情况下，三维激子的结合能为20meV，表明耦合多量子阱中的激子处于二维和三维之间。

图3列出了在磁场作用下σ⁺和σ^-圆偏振光激发的吸收谱，可以看出在磁场作用下，耦合多量子阱的能带结构得到了有效调控，三量子阱的共振耦合在磁场大于2特斯拉时被破坏，对应于基态的跃迁表现出个体行为，而其它跃迁仍然表现出弱耦合行为。当磁场大于6特斯拉时，明显出现了朗道能级对应的小跃迁峰。可以认为，在4.2K下，当磁场小于6特斯拉时，能够有效调控多量子阱的能带结构，同时磁场在x-y平面引入的抛物势可以忽略。