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华中科技大学 硕士学位论文 用于电子自旋光开关的多量子阱材料研究 姓名：毕洁 申请学位级别：硕士 专业：光学工程 指导教师：黄德修 20060703 I 摘 要 近年来，尤其是人们在室温下通过激子吸收漂白直接观察到了多量子阱中皮秒 量级的自旋弛豫现象之后，电子自旋弛豫特性及由此特性制作的全光开关就成了近 年来研究的热点 目前大多数关于全光超高速开关的研究都集中在GaAs多量子阱上， 相关理论已经相当成熟但是，GaAs 量子阱的共振激发吸收峰（即开关的工作波长） 在 850nm 左右，不适合现代通信系统的 1550nm 传输窗口，而实验发现 InGaAsP 多量 子阱的电子自旋弛豫具有更快的速度，并且在 1550nm 波长处适合制作全光开关，因 此 InGaAsP 多量子阱材料在全光功能开关领域有着更为可观的应用前景本文的主 要内容如下： （1）介绍基于电子自旋的全光功能开关的基本理论及其研究现状，比较 GaAs 和 InGaAsP 量子阱中的电子自旋弛豫时间和工作波长 （2）介绍了弱束缚激子模型和二维激子模型中激子的基本性质，及量子阱中激 子的吸收和吸收饱和 （3）采用有限深势阱模型，分别对晶格匹配和应变补偿两种情况计算了满足激 子吸收光子能量平衡时的组分和阱宽关系。

（4）根据基于电子自旋的全光开关的特性，计算了阱宽对电子自旋弛豫时间和 激子吸收系数的影响，得到阱宽这个参数是制作光开关时的重要参量的结论 （5）根据计算结论制作出了InGaAsP多量子阱的外延片，并通过X射线衍射法及 光荧光谱进行检测，通过对检测数据的分析认为所制作的外延片基本与理论要求吻 合 关键词： 关键词：多量子阱 InGaAsP 激子 应变 电子自旋弛豫 II Abstract Recently, especially after the electron spin relaxation time of picosecond in quantum wells was measured at room temperature through exciton absorption bleaching, all-optical switching based on the electron spin relaxation in quantum wells has been the hotspot in recent research. Now most research concentrating optical switching is on GaAs MQW, while its working wavelength has been demonstrated around 850nm. On the other hand, InGaAsP MQW showed a faster spin relaxation time around 1550nm. So InGaAsP MQW has a more considerable application foreground in the field of all-optical switching. The main work is as follows: (1)The basic theory and status quo of all-optical switching on spin electronics are depicted, and the electron spin relaxation time and working wavelength are compared between GaAs and InGaAsP MQW. (2)The properties of exciton are depicted in weekly bound exciton model and two-dimensional exciton model, respectively. And the binding energy of heavy-hole exciton is calculated by the two-dimensional exciton model in InGaAsP MQW. (3)The ground energy of electron and heavy hole is calculated by the finite potential well model. Then the relations of composition and well width are calculated in lattice-matching and strain-compensation, respectively. (4) As spin relaxation depends on quantum well width, the spin relaxation time and excitonic absorption coefficient are calculated, through which the most congruent MQW structures for making all-optical switching based on spin relaxation are chosen from lattice-matching and strain-compensation structure respectively. (5)According to the calculation conclusion, two InGaAsP MQW are made and detected by X-ray diffraction and PL spectra, which proves they are according with theoretical calculation. Keywords: Multiple Quantum Wells(MQW) InGaAsP Exciton Strain Electron Spin Relaxation 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他 个人或集体已经发表或撰写过的研究成果对本文的研究做出贡献的个人和集 体， 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 保密□， 在 年解密后适用本授权书 不保密□ （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪 论 1.1 全光功能材料的研究与进展 1.1.1 引言 传统的光电器件使用的是非量子化效应微观结构的材料，其光电特性的应用开 发已趋成熟，其光电转换、光电显示特性已为人们所熟知但随着材料微观结构量 子化效应的显现，特别是微观结构的低维化，丰富多彩的微观粒子的量子特性逐步 地显现出来。

特别是近期引起国际光电领域学者高度重视的多量子阱电子自旋材料 所显示出的独特的光电特性，使得多量子阱材料有了新的应用领域由于量子阱中 势垒的限制作用，多量子阱中产生大量较为稳定存在的激子，显示出较大的共振光 学非线性性质，为光电器件提供了新的特性与应用，包括激光锁模、光纤传输系统 中光孤子传输的饱和行为、全光双稳态标准具、全光双向耦合开关、信号处理与光 计算这些新的应用都依赖于多量子阱电子自旋材料的研究与制造 在诸多应用中，超高速光开关就是人们研究的一大热点光开关是光通信网络 中实现光交叉连接、光交换、光分插复用、网络监控以及自愈保护等功能的关键节 点器件随着科学技术的发展，人们对其响应速度、工作精度、体积以及重量等诸 多性能指标提出了越来越高的要求依据不同的光开关原理，光开关可分为：机械 光开关、热光开关、电光开关、声光开关和全光开关但因涉及到机械、热、电、 声，使光开关的结构复杂，应用受到限制特别是由于热、声、机械等因素的影响， 热光、声光、机械开关只能工作在毫秒（ms）量级，电光开关也只能工作在纳秒（ns） 量级随着国际互联网和电信业的发展，目前占主导地位的电路交换方式要过渡到 光分组交换方式。

同时随着光波分复用、时分复用技术的发展，网络通信容量向 Tbit/s量级发展，特别在网络节点上，信息交换容量也要求在Tbit/s量级，这就要 求开关速度必须达到皮秒（ps）量级，因而研究新的工作机理的高速光开关显得十 分重要 2 1.1.2 基于电子自旋的全光功能材料的研究发展 近年来，人们对Ⅲ-Ⅴ族半导体多量子阱中的载流子的自旋弛豫特性越来越感兴 趣，不仅在基础物理研究方面，而且在与光学非线性相关的全光功能方面的应用上 都吸引着更多的人进行研究多量子阱（MQW）结构之所以引起人们的关注是在于它 在激子吸收漂白上具有显著的光学非线性性质，这种光学非线性性质非常有助于进 行光通信、光机算和光存储之前的研究利用超短脉冲激光器进行实验，证实了在 GaAs多量子阱中电子、空穴以及激子都存在自旋机制而这个领域的大部分实验都 是使用光致发光和泵浦－探测技术在低温下实现的， Damen[1]等人在低温下测得一个p 型掺杂的GaAs量子阱材料中电子的自旋弛豫时间为150ps，比其体材料中的自旋弛豫 时间的四分之一还短接着Roussignol[2]等人在低温下实验发现，GaAs中的电子自旋 弛豫时间与阱宽的大小直接相关，这一发现让人们认识到量子阱的结构直接影响到 自旋弛豫时间的长短，因此在量子阱材料的设计中首要考虑阱宽的大小。

以上都是 在低温下进行的实验，对于要在室温下工作的量子阱材料来说还不足以说明问题， 于是人们继续在室温下研究材料的自旋弛豫性质 虽然早在1985年Jewell[3]等人已在 室温下对一多量子阱材料完成了光逻辑门的实验操作，但是由于激子再结合的时间 限制导致多量子阱中的吸收饱和要花几十个纳秒的时间,相比电设备慢了太多后来 Yuji[4]等人通过激子吸收漂白直接观察到了GaAs/AlGaAs多量子阱中皮秒量级的自旋 弛豫现象，其中GaAs量子阱的阱宽为4.5nm，测量的自旋弛豫时间为32ps，这就在室 温下进行的材料研究迈进了一大步紧接着Tackeuchi[5]等人又在室温下利用泵浦－ 探测技术测得GaAs中电子的自旋弛豫时间，同时也证实了室温下阱宽的大小直接影 响自旋弛豫时间的长短一系列实验证实，基于自旋弛豫机制的GaAs多量子阱光开 关的最佳波长为850nm [6,7]，基于GaAs多量子阱材料的光器件比如偏振开关在90年代 已经有成品，理论上已比较成熟，但GaAs量子阱的共振激发吸收峰（即开关的工作 波长）在850nm左右，不能适用于现代通信系统的1550nm传输窗口于是人们又开始 寻找适合光纤通信1550nm波长的多量子阱材料，发现InGaAsP是不错的选择， Tackeuchi和Wada[8]就已经在1550nm波长处测得InGaAs/InP多量子阱材料中电子的自 旋弛豫时间，发现其比在GaAs中更快。

3 下面， 就国外对GaAs和InGaAsP两种多量。