專利名稱：一種利用稀磁半導(dǎo)體測量多量子阱耦合的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了一種利用稀磁半導(dǎo)體測量多量子阱耦合的方法，更確切地 說本發(fā)明涉及一類II一VI族耦合多量子阱系統(tǒng)的能帶結(jié)構(gòu)隨著量子阱阱深 (壘高)變化的測量方法。
背景技術(shù)：
利用(II，Mn)VI稀磁半導(dǎo)體材料中的巨塞曼分裂效應(yīng)，在低溫情況下(4.2 K)，自旋向上和自旋向下的能態(tài)在平行于生長方向上的幾個特斯拉的磁場 作用下有多達幾十至上百meV的能量分裂。利用這一特性，在多量子阱的 阱(壘)中進行少量的Mn摻雜，可以認為構(gòu)成阱(壘)材料的其它物理參數(shù)保持 不變。對不同的自旋極化方向的躍遷，改變外加磁場的強度，等效于改變體 系的阱深(壘高)參數(shù)，從而改變體系的能帶結(jié)構(gòu)和耦合行為。利用圓偏振光 測量特定自旋方向的載流子的帶間光吸收，可以得到阱深(壘高)對體系能帶 結(jié)構(gòu)的影響[S.Lee等，Phys. Rev. B 61, 2120 (2000)]。利用傳統(tǒng)的實驗方法， 研究阱深(壘高)對耦合多量子阱能帶結(jié)構(gòu)和耦合行為，需要制備一系列參數(shù) 得到嚴格控制的樣品，成本高，樣品制備難度高。同時，要改變阱深(壘高)， 必須改變阱(壘)的合金組份，由此帶來的合金無序、應(yīng)力、界面粗糙等參數(shù) 不同對實驗結(jié)果的影響難以估計。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種利用稀磁半導(dǎo)體測量多量子阱耦合的方法。采 用本發(fā)明提出的方法，在不改變樣品結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，可以在較大阱深(壘
高)變化范圍內(nèi)，研究多量子阱能帶結(jié)構(gòu)的變化，同時避免了由于樣品參數(shù) 不同引入的如無序、應(yīng)力等其它參數(shù)的不同對實驗結(jié)果的影響，提高了實驗 精度和效率，降低了實驗成本。相比于在微電子學(xué)、光電子學(xué)領(lǐng)域得到廠泛 應(yīng)用的量子阱和耦合雙量子阱，耦合多量子阱具有更多的可調(diào)整的參數(shù)，能 夠滿足更復(fù)雜的技術(shù)應(yīng)用。研究不同參數(shù)對耦合多量子阱的能帶結(jié)構(gòu)和津禹合 行為，能夠促進這類體系在電子和光電子技術(shù)中的應(yīng)用。
本發(fā)明提供的利用稀磁半導(dǎo)體測量多量子阱耦合的方法，其特征在于利 用稀磁半導(dǎo)體的巨塞曼分裂，用平行于生長方向的磁場調(diào)控阱深或壘高，以 測定耦合多量子阱能帶結(jié)構(gòu)的變化。
考慮激子效應(yīng)的包含稀磁半導(dǎo)體的耦合多量子阱的哈密頓函數(shù)為<formula>formula see original document page 5</formula>中方、/We(m/0、 m、 e、 / 、 &(^)、 s、 &、 "e(仏)分別為普朗克常數(shù)、電子(重 空穴)有效質(zhì)量、電子-重空穴折合質(zhì)量、電子電荷、x-y平面內(nèi)電子空穴間的 距離、電子(重空穴)生長方向上的坐標、真空介電函數(shù)、材料相對介電函數(shù)、 電子(重空穴)限制勢。coc是回旋頻率，其值為e5/m， S為磁通量。式中 K,—d = X&fe)h ， = d〈sD〉Jz 。它們描述了自由電子和Mn
局域自旋之間的交換作用，其中Xd是Mn的有效摩爾濃度；J^-A^c J^=A^/3是交換積分；3^±1/2仏=±3/2)是電子(重空穴)的自旋；〈S^是Mn 局域自旋在磁場方向上的熱平均，其值由布里淵函數(shù)給出
<formula>formula see original document page 5</formula> (2)
其中B/々為布里淵函數(shù)，gMn=2是Mn"的g因子，w是波爾磁子，kB 是玻爾茲曼常數(shù)，T。是居里溫度。
在有效質(zhì)量近似下，耦合多量子阱和光的相互作用有以下含時薛定諤方 程描述<formula>formula see original document page 6</formula>
其中y是解相因子，E(t)是光場，p是偶極矩陣元。此時光學(xué)極化率可以
表示為
義(w)=女〃* Jf血JJJV， 、,，》(p(、 -)2罕々必e&A (4)
式中Q是體積。方程(3)和(4)可以在實空間進行數(shù)值求解[計算細節(jié)可參 閱S. Glutsch WPhys. Rev. B 54, 11592 (1996)]。
本發(fā)明有如下的積極效果和優(yōu)點
1、 僅需制備一片樣品就可以進行實驗，避免了樣品制備過程中引入的 誤差，同時節(jié)約了成本、提高了效率和實驗結(jié)果的精度。
2、 給出了此類實驗結(jié)果的理論分析方法，并編制了相應(yīng)的數(shù)值計算程序。
圖l:計算中采用耦合多量子阱的結(jié)構(gòu)，x取0.2， y取0.04。此時電子 的有效質(zhì)量為0.19mo，重空穴的有效質(zhì)量為0.66mo， mo為自由電子質(zhì)量。 導(dǎo)帶和價帶的阱深分別為0.17 eV和0.08 eV。
圖2:磁場為O時耦合三量子阱的帶間吸收譜。
圖3:不同磁場強度下，由cj+和cr-圓偏振光激發(fā)的耦合三量子阱的吸收
"J並 l曰o
具體實施例方式
以ZnQ.8Cdo.2Se/ZnSe對稱耦合三量子阱為例，對本發(fā)明提出的實驗方案 的有效性在理論上進行了驗證。采取的結(jié)構(gòu)如圖l所示，壘寬為1.5nm，使 不同量子阱間存在強的耦合，在阱的兩側(cè)，各有6nm厚的ZnSe緩沖層，使 處于基態(tài)和低激發(fā)態(tài)的激子波函數(shù)在緩沖層內(nèi)衰減至0，消除邊界對計算結(jié) 果的影響。在中間阱中，進行了摩爾濃度約為0.04的摻雜。在此情況下， Noa和No(3的值為-0.27禾口0.90， T(,值為1.4 K,計算取的溫度為4.2 K。
圖2顯示了磁場為0特斯拉時耦合多量子阱的吸收譜，由于耦合作用， hlel帶間躍遷分裂為三重態(tài)。與不包括激子效應(yīng)的吸收譜相比，電子-重空 穴間的庫侖吸引作用使臺階狀吸收變?yōu)槲辗?，并向低能方向移動。兩者?比可以得到激子基態(tài)的結(jié)合能約為36meV，在我們所取的材料參數(shù)情況下， 三維激子的結(jié)合能為20 meV，表明耦合多量子阱中的激子處于二維和三維 之間。
圖3列出了在磁場作用下cj+和(J—圓偏振光激發(fā)的吸收譜，可以看出在磁 場作用下，耦合多量子阱的能帶結(jié)構(gòu)得到了有效調(diào)控，三量子阱的共振耦合 在磁場大于2特斯拉時被破壞，對應(yīng)于基態(tài)的躍遷表現(xiàn)出個體行為，而其它 躍遷仍然表現(xiàn)出弱耦合行為。當(dāng)磁場大于6特斯拉時，明顯出現(xiàn)了朗道能級 對應(yīng)的小躍遷峰?？梢哉J為，在4,2K下，當(dāng)磁場小于6特斯拉時，能夠有 效調(diào)控多量子阱的能帶結(jié)構(gòu)，同時磁場在x-y平面引入的拋物勢可以忽略。
權(quán)利要求
1、一種利用稀磁半導(dǎo)體測量多量子阱耦合的方法，其特征在于利用稀磁半導(dǎo)體的巨塞曼分裂，用平行于生長方向的磁場調(diào)控阱深或壘高，以測定耦合多量子阱能帶結(jié)構(gòu)的變化。
2、 按權(quán)利要求1所述的利用稀磁半導(dǎo)體測量多量子阱耦合的方法，其特征在于所述稀磁半導(dǎo)體的耦合多量子阱的哈密頓函數(shù)為<formula>formula see original document page 2</formula>式中方、me或w/;、 m、 e、 p、 ^或^、 ￡、 &、"或L^分別為普朗克常 數(shù)、電子或重空穴有效質(zhì)量、電子-重空穴折合質(zhì)量、電子電荷、x-y平面內(nèi) 電子空穴間的距離、電子或重空穴生長方向上的坐標、真空介電函數(shù)、材料 相對介電函數(shù)、電子或重空穴限制勢。①e是回旋頻率，其值為e^/附，5為磁
3、 按權(quán)利要求2所述的利用稀磁半導(dǎo)體測量多量子阱耦合的方法，其 特征在于對于(n，Mn)VI稀磁半導(dǎo)體，哈密頓函數(shù)中R,p—^x,"化(z力)〉A(chǔ)表示了自由電子和Mn局域自旋之間的交換作用，其中Xd是Mn的有效摩 爾濃度；A^A^^-^A^/3是交換積分；sz=±l/2 (J產(chǎn)士3/2)是電子(重空穴)的 自旋；〈S^是Mn局域自旋在磁場方向上的熱平均，其值由布里淵函數(shù)給出<formula>formula see original document page 2</formula>式中A/々為布里淵函數(shù)，gMn=2是Mr^+的g因子，^是波爾磁子，kB 是玻爾茲曼常數(shù)，T。是居里溫度。
4、 按權(quán)利要求l一3中任一項所述的利用稀磁半導(dǎo)體測量多量子阱耦合 的方法，其特征在于所述稀磁半導(dǎo)體通式為Zni_x_yCdxMnySe。
5、按權(quán)利要求4所述的利用稀磁半導(dǎo)體測量多量子阱耦合的方法，其特征在于所述的，稀磁半導(dǎo)體丫=0.004摩爾的Mn摻雜，壘寬為1.5nm，使 不同量子阱間存在耦合，在阱的兩側(cè)各有6nm厚的ZnSe緩沖層。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種利用稀磁半導(dǎo)體測量多量子阱耦合的方法，其特征在于利用稀磁半導(dǎo)體中的巨塞曼分裂，用平行于生長方向的磁場調(diào)控阱深或壘高，對耦合多量子阱進行測量。并以Zn<sub>0.8</sub>Cd<sub>0.2</sub>/ZnSe對稱耦合三量子阱為例，在理論上對實驗方案的有效性進行了驗證。利用本發(fā)明提供的方法，有效地降低了樣品制備的要求和工作量，提高了實驗精度。
文檔編號H01L21/66GK101383305SQ200710045700
公開日2009年3月11日 申請日期2007年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月7日
發(fā)明者曹俊誠, 郭旭光 申請人:中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所