论文部分内容阅读
半导体量子阱体系的对称性会影响体系的平面光学各向异性和自旋轨道耦合效应。因此，通过外场、应力以及结构设计来改变体系的对称性，不仅可以主动控制平面光学各向异性，而且还能调控自旋轨道耦合的强弱进而对电子自旋进行调控。本论文主要研究了Ⅲ-Ⅴ族半导体量子阱体系的平面光学各向异性和自旋相关的偏振光学特性。一方面利用反射差分光谱技术(RDS)，并结合k·p有效质量理论基础上的包络函数计算模型研究了界面应力、原子偏析以及外加单轴应力对Ⅲ-Ⅴ族量子阱平面光学各向异性的影响；另一方面研究了GaAs/AlGaAs以及InGaAs/AlGaAs量子阱的带间跃迁Rashba和Dresselhaus诱导的圆偏振光致电流效应(CPGE)，以及外加单轴应变对它们的影响。此外，还在室温下观测了InGaAs/AlGaAs量子阱的光致反常霍尔效应。主要研究结果如下： 1、用RDS研究了N浓度分别为0.88％、1.2％和1.8％的GaNxAs1-x/GaAs量子阱的平面光学各向异性。发现随N浓度升高，平面光学各向异性增强。通过4带k·p微扰理论分析，发现GaNxAs1-x/GaAs量子阱样品中出现的强的平面光学各向异性是由各向异性应力εxy引起的。这种各向异性应力可能是由于在生长GaNAs外延层时，N原子的择优分布造成的。 2、用RDS在低温下研究了阱宽分别为3nm、5nm和7nm的In0.2Ga0.8As/GaAs单量子阱的平面光学各向异性。观察到很强的禁戒跃迁的平面光学各向异性。6带k·p微扰理论的数值计算表明，这种禁戒跃迁强的各向异性信号是由铟原子偏析效应引起的。对阱宽为5nm的InGaAs/GaAs量子阱施加单轴应力，发现允许跃迁的各向异性信号随应变线性增加，而禁戒跃迁的各向异性信号随应变基本不变。并用k·p微扰理论对实验现象进行了很好的解释。 3、用变温微区光致发光光谱结合近垂直入射反射谱，无损准确测得垂直腔面发射激光器(VCSEL)中量子阱和腔模的相对能量位置分布。另外，发展了一种用于研究圆晶规模VCSEL腔模劈裂的新方法，即通过RDS光谱拟合，在室温下准确测得VCSEL的腔模劈裂。并引入单轴应力对腔模劈裂进行线性调控。采用基于琼斯矩阵的传输矩阵方法，从理论上计算出不同单轴应力下的腔模劈裂，跟实验结果吻合的很好。 4、在实验上研究了室温下晶格失配InGaAs/AlGaAs多量子阱以及晶格匹配GaAs/AlGaAs多量子阱体系的带间跃迁CPGE光谱，并将Rashba和Dresselhaus自旋轨道耦合诱导的CPGE光谱分别分离出来。研究发现，不论是晶格匹配的GaAs/AlGaAs体系还是晶格失配的InGaAs/AlGaAs体系，Rashba和Dresselhaus诱导的CPGE光谱对应1HH-1E和1LH-1E跃迁的光谱谱型都十分相似，且Rashba效应诱导的CPGE比Dresselhaus效应大。在CPGE光谱中，1HH-1E和1LH-1E具有相同的符号。我们对其中的原因进行了讨论并进行计算分析，发现实验中观察到的CPGE电流可能主要是激子的贡献。进一步研究了切应变和双轴应变下的Rashba和Dresselhause诱导的CPGE光谱。Rashba-typeCPGE电流随切应变线性变化，且应变诱导的Rashba-typeCPGE中1HH-1E和1LH-1E具有不同的符号。然而，Dresselhaus-typeCPGE几乎不随外加应力变化。 5、在室温下研究了无掺杂In0.15Ga0.85As/Al0.3Ga0.7As多量子阱体系带间激发的光致反常霍尔效应光谱。通过圆偏振光注入自旋极化载流子的方法观测到反常霍尔电流随纵向电场增加而线性增大。重空穴激子1HH-1E对光致反常霍尔电导的贡献跟轻空穴激子1LH-1E同号，而当激发光的能量高于轻空穴激子的时候，光致反常霍尔电导的符号却反了过来。对产生此光致反常霍尔效应的机制进行了分析，由于体系是无掺杂的高纯晶体且具有较大的Rashba自旋轨道耦合效应，故我们认为其更可能是本征效应。