III族氮化物半导体异质结构中的自旋轨道耦合效应

For III nitride semiconductors, the long spin relaxation time and the strong spin-orbit coupling effect in its low dimensional structures provide a good basis for the realization of the spintronic devices. Now, the spin-orbit coupling effect in AlGaN/GaN heterostructures is a hot topic in this field. In this project, we mainly study the following problems: (1)By solving the Schr?dinger and Poisson equations self-consistently for AlGaN/GaN QWs, we calculate how the Rashba spin splitting changes as a function of symmetric parameters β and σ. (2)By choosing proper basis functions, the eight-band Kane Hamiltonian is projected into the 2×2 conduction-band space. Then we derive the Rashba spin splitting coefficient α for the conduction band relating the wave vector in the plane, and we expand α in powers of δ and obtain nonlinear Rashba spin splitting energy. Finally, we explore the factors deciding the nonlinear Rashba spin splitting energy in AlGaN/GaN heterostructures. (3) By projecting the characteristic equation into the subspace of the conduction band, we obtain the effective mass equation only containing the envelope functions of the conduction subbands. Then we obtain the expression for the spin-orbit coupling coefficient in AlGaN/GaN quantum well structure. Finally, we study how they change as a function of the parameters for the QWs.

III族氮化物材料具有较长的自旋驰豫时间，且在其各种低维结构中存在强烈的自旋轨道耦合效应，为自旋电子学器件的实现提供了良好的基础。目前AlGaN/GaN异质结构中二维电子气中的自旋轨道耦合效应已经成为该领域的研究热点。本项目拟研究的主要内容包括：1）通过自恰求解薛定谔方程和泊松方程，计算AlGaN/GaN量子阱中的Rashba自旋劈裂随对称参数β和σ的变化关系。2）选择合适的基函数，把本征值方程投影到导带的子空间中，推导导带的Rashba自旋劈裂系数α关于面内波矢的表达式，将α按小量δ展开，得到非线性的Rashba自旋劈裂能，讨论影响AlGaN/GaN 异质结构中的非线性Rashba自旋劈裂的各种因素。3）把本征值方程投影到导带的子空间中，得到只含导带波函数的有效质量方程。考虑有两个束缚子带的AlGaN/GaN量子阱，得到自旋-轨道耦合系数的表达式，研究它随量子阱各参数的变化关系。

在该项目中我们主要做了以下几个方面的工作 ：.(1)发现Al0.5Ga0.5N/GaN/Al0.5Ga0.5N量子阱中第一子带在费米能级处的Rashba自旋劈裂随着表面电子浓度Ns迅速增加，因为Rashba系数，尤其是费米波矢随着Ns迅速增加。我们研究了AlGaN/GaN 非对称量子阱中的 SO 参数和Rashba自旋劈裂随着对称参数 σ的变化关系。α1 和α2随着σ线性增加，随着σ从0.4增加到1.4，η12 减小。我们计算了Al0.6Ga0.4N/GaN/Al0.3Ga0.7N/Al0.6Ga0.4N量子阱中第一子带的Rashba系数和Rashba自旋劈裂。发现外加电场以及Al0.3Ga0.7N插入层的厚度ws可以很大程度上调制该体系的Rashba系数和Rashba自旋劈裂。这些研究结果对于设计自旋电子学器件有些启示。.(2)考虑导带子带的能量色散，发现AlGaN/GaN量子阱中的修正的Rashba自旋劈裂系数(α’)随着面内波矢k//减小，修正的Rashba自旋劈裂(ΔE’) 随着k//非线性增加。Rashba自旋劈裂的修正值随着k//增加。然后采用微扰展开方法，发现对α的零阶贡献仅仅来自于异质结界面，且不依赖于k//。阱层和垒层对α的一阶贡献 正比于电场且与k//无关，但是界面对α的一阶贡献依赖于k//。α 的高阶修正都依赖于k//，且都远远小于一阶修正。所以ΔE 的零阶贡献以及阱层和垒层对一阶修正ΔE(1) 的贡献随着k//线性增加，而异质结界面对ΔE(1)的贡献以及ΔE 的高阶修正都随着k//非线性增加。这些结果可能对III-氮化物低维异质结构的自旋操控有帮助。.(3)考虑Rashba效应和Zeeman效应，我们获得磁场下的AlGaN/GaN量子阱的有效哈密顿，并推导出纵向和径向g 因子。可以清楚的看到体纤锌矿材料中较小的g因子的各向异性，而量子阱中的量子限制效应导致的各向异性很明显。结果表明III 族氮化物中的g因子及其各向异性可以由阱层厚度调制，且它们受内建电场和量子限制效应的影响较大。. (4)对于GaN/AlGaN/GaN异质结构，发现SOC引起了明显的依赖于自旋和波矢的透射概率。发现极化效率也在共振能处达到峰值且随面内波矢增加。此外，内建电场增加了P的强度。这里得到的结果有助于通过非磁的方式把自旋有效地注入到III族氮化物异质结构中。