Optical Properties of Asymmetric Quantum Wells in the Presence of External Fields

Abstract

El rompimiento de la simetría de translación de un semiconductor, al crecer en su interior un reducido número de capas atómicas de otro semiconductor, cambia fundamentalmente su espectro de energía electrónica. Este espectro corresponde al de un sistema de electrones en un potencial tipo pozo cuántico, cuyas características estan relacionadas con las propiedades de las bandas de conducción y valencia de los dos semiconductores. En base a esta idea han sido creadas multiples heteroestructuras semiconductoras que presentan interesantes propiedades ópticas y de transporte, asociadas a distintos tipos de con namiento cuántico geométrico. En este tesis se realiza un estudio detallado de las propiedades ópticas de pozos cuánticos dobles, investigando el efecto de la asimetría en el potencial, proveniente de tener capas de distintos semiconductores o de distinto espesor. Se estudió el comportamiento de los niveles de energía excitónicos y el espectro de absorción óptica para pozos cuánticos dobles simétricos y asimétricos, en presencia de un campo magnético uniforme. Dentro del formalismo de la masa efectiva, se expandió la función de onda excitónica en una base ortogonal, formada por productos de funciones de onda de electrón y hueco en la dirección de crecimiento, y soluciones de Landau para la coordenada relativa en el plano perpendicular a dicha dirección. Se aplicó el método a semiconductores del tipo Alx Ga1 x As, en donde se mostró la variación en la composición de la función de onda excitónica y la forma no trivial en que las funciones base se mezclan por el efecto del potencial de Coulomb. Como consecuencia de considerar toda la mezcla entre los elementos de la base, se obtuvo anticruces entre niveles excitónicos no reportados en la literatura.

The breaking of symmetry in a semiconductor, when a small number of atomic layers of other semiconductor is grown inside, drastically changes the energy spectra of the system. This spectra changes towards the one corresponding to a system of electrons in a quantum well potential, which is related to the properties of the valence and conduction band in both semiconductors. Several kinds of semiconductor heterostructures have been created in this way, showing interesting optical and transport properties, related to different kinds of geometrical quantum confinement of electrons or holes. In this thesis we studied, theoretically, the excitonic energy levels and the optical absorption spectra for double quantum wells,both symmetric and asymmetric, in the presence of a homogeneous magnetic field. Within the effective-mass approach, we expanded the excitonic wave function, in an orthogonal basis formed by the products of electron and hole wave functions in growth direction z , and one-particle solutions of the magnetic Hamiltonian in the x y plane. We applied our method to the case of AlxGa1 x As, for which we showed how the exciton wave-function vary, and how the basis functions are mixed in a nontrivial way by the effect of the Coulomb potential. By taking into account all the mixing between the elements in our base, we get anticrossings between excited excitonic states not reported previously.