Development and application of the k.p method to investigate spin and optical properties of semiconductor nanostructures

• Main Author: Paulo Eduardo de Faria Júnior
• Other Authors: Guilherme Matos Sipahi
• Language: English
• Published: Universidade de São Paulo 2016
• Subjects: Lasers de spin; Método k.p; Politipismo; Semicondutores; Wurtzita; k.p method; Polytypism; Semiconductors; Spin lasers; Wurtzite
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/76/76132/tde-21102016-160111/

Many observable properties of semiconductor systems, such as transport and optical transitions, are manifestations of their underlying electronic band structures, i. e., the energy levels that electrons may have in the semiconductor. Among the theoretical approaches to calculate the band structure, the k.p method is a versatile framework that can be extended to deal with confined systems, overcoming the computational limitations of first principles methods. In this thesis, we develop and apply k.p Hamiltonians to investigate spin and optical physical phenomena in unconventional semiconductor systems. Specifically, we addressed three different topics: spin lasers, polytypism in III-V semiconductors and spin-orbit coupling effects in wurtzite materials. For spin lasers, we investigate the behavior of their active region, in a VCSEL geometry, based on GaAs/AlGaAs zinc-blende quantum wells by calculating the spin-dependent gain coefficient. Assuming spin polarized electrons, our calculations showed the spin-filtering and the threshold reduction features found in experiments and by the conventional rate equation approach in the steady-state operation. Motivated by experimental evidence of enhanced dynamic operation for light polarization because of anisotropies in the semiconductor system, we calculate the birefringence coefficient of the active region under uniaxial strain. Our calculations showed that, even for a small value of applied strain, the birefringence coefficient can easily exceed 200 GHz. In fact, our predictions were experimentally demonstrated for values up to 250 GHz in similar GaAs/AlGaAs spin VCSELs. For the polytypism topic, we develop a k.p model combined with the envelope function approximation to investigate the polytypismin III-V semiconductor systems with mixed zinc-blende and wurtzite crystal structures. We apply our model for InP polytypic quantum wells to investigate quantum confinement and strain effects. We then extended this polytypic model to include the explicit coupling between the conduction and the valence bands in order to investigate optical properties in InP polytypic superlattices. For pure phase nanowires, modeled with bulk calculations and the optical confinement, we can see the same experimental trends regarding the light polarization, i. e., zinc-blende phase favors light polarization along the nanowire axis while wurtzite phase favors the polarization perpendicular to the axis. Including the crystal phase mixing and the quantum confinement effects, we obtain the degree of light polarization ranging from pure zinc-blende to pure wurtzite nanowires and, more specifically, that this degree of polarization is very sensitive to the size of zinc-blende regions, a feature that is also observed in photoluminescence measurements. Finally, we develop a realistic k.p Hamiltonian, with parameters obtained from ab initio band structures, to investigate electronic properties and spin-orbit coupling effects in InAs and InP semiconductors with wurtzite structure. Our 8×8 k.p model describes the conduction and the valence bands, including spin, around the energy gap. We also include the k-dependent spin-orbit coupling term, usually neglected in the literature, to correctly describe the bulk inversion asymmetry of wurtzite structure. We show that all the investigated energy bands have a spin expectation value that follows a Rashba-like spin texture, with either clockwise or counter clockwise orientation. We emphasize that all the ab initio features of band structure, spin splittings and spin orientation were systematically checked to provide the best parameter sets. Using the 8×8 k.p Hamiltonian, we calculated the density of states and predicted the carrier density as a function of the Fermi energy. We also provide an analytical approach for conduction band and a compact description for the valence bands, however, the 8×8 Hamiltonian is the best approach to recover the ab initio calculations around a large region of the first Brillouin zone. === Diversas propriedades observáveis de sistemas semicondutores, como transporte e transições óticas, são manifestações de suas estruturas de bandas eletrônica, isto é, os níveis energéticos que elétrons podem ocupar no semicondutor. Entre as abordagens teóricas para o cálculo de estrutura de bandas, o método k.p é uma ferramenta versátil que pode ser estendida para tratar sistemas confinados, superando as limitações computacionais de métodos de primeiros princípios. Nesta tese, nós desenvolvemos e aplicamos Hamiltonianos k.p para fenômenos físicos óticos e de spin em sistemas semicondutores não convencionais. Especificamente, nós consideramos três tópicos diferentes: lasers de spin, politipismo em semicondutores III-V e efeitos do acoplamento spin-órbita em materiais com estrutura cristalina wurtzita. Para os lasers de spin, investigamos o comportamento de sua região ativa, em uma geometria VCSEL, baseada em poços quânticos de zinc-blende GaAs/AlGaAs através do cálculo do coeficiente de ganho dependente de spin. Assumindo elétrons com polarização de spin, nossos cálculos mostraram as características de filtro de spin e de redução do limiar de laser encontradas em experimentos e pela abordagem convencional de equações de taxa no regime estacionário. Motivados pelas evidências experimentais de operação dinâmica mais veloz para a polarização da luz devido às anisotropias do sistema, calculamos o coeficiente de birrefringência para a região ativa sob efeito de uma tensão uniaxial. Nossos cálculos mostraram que, mesmo para um pequeno valor de tensão aplicada, o coeficiente de birrefringência pode facilmente exceder 200 GHz. Na realidade, nossas predições foram demonstradas experimentalmente para valores de até 250 GHz em um dispositivo VCSEL de spin de GaAs/AlGaAs similar ao nosso sistema estudado. Para o politipismo, desenvolvemos um modelo k.p combinado com a aproximação da função envelope para investigar o politipismo em sistemas semicondutores III-V com mistura de estruturas cristalinas zinc-blende e wurtzita. Aplicamos o modelo para poços quânticos politípicos de InP para investigar efeitos de confinamento quântico e de tensão. Também estendemos esse modelo politípico para incluir explicitamente o acoplamento entre as bandas de condução e valência com o intuito de investigar propriedades óticas em superredes politípicas de InP. Para nanofios com fase cristalina pura, modelados por cálculos na forma bulk com inclusão do confinamento ótico, observamos as mesmas características experimentais para a polarização da luz, isto é, a fase zinc-blende favorece a polarização da luz ao longo do eixo do nanofio enquanto a fase wurtzita favorece a polarização perpendicular ao eixo. Incluindo a mistura cristalina e os efeitos de confinamento quântico, obtemos o grau de polarização linear variando entre os valores de nanofios puros de zinc-blende e wurtzita e, mais especificamente, que esse grau de polarização é muito sensível ao tamanho das regiões de zinc-blende, uma característica também observada em medidas de fotoluminescência. Finalmente, desenvolvemos um Hamiltoniano k.p realista, com parâmetros obtidos de estruturas de bandas por primeiros princípios, para investigar propriedades eletrônicas e efeitos do acoplamento spin-órbita em materiais semicondutores de InAs e InP com estrutura cristalina wurtzita. Nosso modelo k.p 8×8 descreve as bandas de condução e valência, incluindo spin, em torno da energia de gap. N´os também incluímos o termo de acoplamento spin-órbita dependente de k, geralmente desprezado na literatura, para descrever corretamente a assimetria de inversão de bulk da estrutura wurtzita. Mostramos que todas as bandas de energia investigadas possuem um valor esperado de spin que segue a textura de spin do tipo Rashba, com orientação no sentido horário ou anti-horário. Nós enfatizamos que todas as características da estrutura de bandas, abertura de spin e orientação de spin dos cálculos de primeiros princípios foram sistematicamente checadas para fornecer o melhor conjunto de parâmetros. Usando o Hamiltoniano k.p 8×8, calculamos a densidade de estados e obtemos a densidade de portadores como função da energia de Fermi. Fornecemos também uma abordagem analítica para a banda de condução e uma descrição compacta para a banda de valência, no entanto, o Hamiltoniano 8×8 é a melhor abordagem para modelar os cálculos de primeiros princípios em uma ampla região da primeiro zona de Brillouin.