InGaAs／GaAs应变量子阱能带结构的计算 - 北京工业大学学报.PDF

第37卷第4期 北京工业大学学报 V01．37No．4 OF UNIVERSITYOFTECHNOLOGY 2011年4月 JOURNALBEIJING Apr．2011 宋晏蓉1，华玲玲1”，张 鹏1，张 晓1 (1．北京工业大学应用数理学院，北京100124；2．华北科技学院基础部，河北燕郊101601) 摘 要：为了进一步优化半导体激光器的性能，讨论了影响激光器中许多参数的能带结构．以InGaAs／GaAs应 变量子阱材料为例，利用有限差分法对考虑价带混合效应的6×6Luttinger—Kohn哈密顿量精确求解，得到导带和 价带的能带结构图．计算结果表明，应变改变了传统无应变量子阱激光器中轻的导带有效质量与非常重的价带 有效质量之间的巨大不对称性，更有利于提高激光器的性能． 关键词：应变量子阱；能带结构；6x6Luttinger-Kohn哈密顿量；有限差分法 中图分类号：0417 文献标志码：A 文章编号：0254—0037(2011)04—0565—05 通过改变半导体材料能带结构而改变半导体激光器性能的能带工程是当今半导体光电子器件发展的 热点．量子阱结构出现后，使人们可以通过选择阱宽、阱深、垒厚、垒高、引入应变等自由地对量子阱的能 带结构进行调整，尤其是应变的引入会带来许多新的特征，如材料中能带结构的改变、空穴有效质量的减 小、态密度的改善、透明载流子浓度的降低、微分增益的增大等¨引．这些特性在某种程度上影响了半导体 激光器的性能，尤其是激光器的增益特性及输出波长，因此对应变量子阱能带结构进行理论分析具有非常 重要的实际意义．InGaAs／GaAs材料是目前开展研究比较深入，并得到广泛应用的一种半导体激光材料， 激光器输出波长范围在0．9～1．1斗m，在军事、通讯、医疗等方面具有极其广泛而重要的应用前景．本文以 带(LH)、自旋轨道裂矩带相互作用(SO)和考虑应变作用的6×6 带结构． 应变量子阱的应变效应 量子阱中由于势垒层与势阱层材料的晶格常数不匹配而产生应变．量子阱的应变类型有压应变和张 应变2种，当势阱的晶格常数比势垒的晶格常数大时，成为具有压应变的应变量子阱；与此相反，成为具有 张应变的应变量子阱．应变给量子阱能带结构带来很大影响，不仅使轻、重空穴带分离，更重要的是使价 带的形状和位置发生变化．应变引起的价带漂移有2个分量：一部分是单轴静压力引起的分量P。，它的作 用是使整个价带上升或下降，影响到整个应变层的带隙宽度，另一部分是应变的切向分量Q。，它的作用是 使轻、重空穴带退简并．张应变时，轻空穴带上升，位于重空穴带之上；压应变时，重空穴带在轻空穴带之 上．应变所致价带漂移¨1为 8E。。(茹)=一P。一Q。(重空穴带) (1) 8E。。(髫)=一P。+Q。(轻空穴带) (2) ， C．．、 8∥ (3) P。=一口，(8。+8。+艿。)=一2a。{1—7半l 收稿日期：2009-03．23． 基金项目：国家自然科学基金资助项目． 作者简介：宋晏蓉(1964一)，女，山西太原人，教授 北京工业大学学报 盱一ib(％坞也小一6(1+2等)8∥ (4) 导带漂移为 8Eo(小气=“占。坞峨)=2口。(1一鲁)占∥ (5) 这里应变张量分量8Ⅱ分别定义为 占∥”“Ⅵ2■丌声1Ⅵn2一百占∥≯，，ⅥF邓“-u (6)