應(yīng)變纖鋅礦量子阱中的電子態(tài).pdf

1、近些年，應(yīng)變纖鋅礦半導(dǎo)體及其低維結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代照明和太赫茲通信領(lǐng)域，成為制備新一代電子和光電子器件的重要材料。該體系中的電子態(tài)與材料的發(fā)光和光伏性質(zhì)密切相關(guān)，是理論和實(shí)驗(yàn)研究的熱點(diǎn)問題之一。本論文主要從理論上研究應(yīng)變纖鋅礦量子阱(主要為氮化物)中雜質(zhì)態(tài)、激子態(tài)和阱束縛電子從基態(tài)到激發(fā)態(tài)之間躍遷的光學(xué)吸收及聲子散射的影響，探討提高基于此類材料的光學(xué)器件的量子效率的可能性。通過計(jì)算，我們發(fā)現(xiàn)由于界面、應(yīng)變和各向異性對(duì)材料的能帶結(jié)構(gòu)、

2、聲子模式以及介電性質(zhì)等的顯著影響，使該類量子阱系統(tǒng)中的電子態(tài)呈現(xiàn)出諸多新特點(diǎn)。本論文的主要內(nèi)容和結(jié)論概括如下：
　　 (1)采用變分法分別計(jì)算應(yīng)變纖鋅礦非對(duì)稱結(jié)構(gòu)AlxGa1-xN/GaN/AlyGa1-yN單量子阱和GaN/AlxGa1-xN雙量子阱中電子束縛于類氫施主雜質(zhì)的基態(tài)結(jié)合能。探討單量子阱勢(shì)壘的寬度或(和)高度變化施與雜質(zhì)結(jié)合能的尺寸效應(yīng)。進(jìn)而，討論調(diào)整雙量子阱的中間壘層對(duì)雜質(zhì)態(tài)結(jié)合能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，內(nèi)建電場(chǎng)和應(yīng)變

3、引起的帶階變化對(duì)結(jié)合能影響很顯著，中間壘變化到某一阱的電勢(shì)低于另外一個(gè)阱之時(shí)，結(jié)合能呈現(xiàn)突變現(xiàn)象。作為對(duì)比，我們還討論了在有無(wú)內(nèi)建電場(chǎng)作用下該雙阱結(jié)構(gòu)中基態(tài)結(jié)合能隨左右阱寬比例和雜質(zhì)位置的變化關(guān)系。
　　 (2)首先采用變分法計(jì)算應(yīng)變纖鋅礦GaN/AlxGa1-xN耦合雙量子阱中的激子基態(tài)結(jié)合能。計(jì)算結(jié)果表明，受量子阱尺度調(diào)制的內(nèi)建電場(chǎng)可導(dǎo)致直接和間接激子類型的轉(zhuǎn)變。在非對(duì)稱雙量子阱中幾乎都是間接激子，其結(jié)合能很小而且對(duì)結(jié)構(gòu)尺度

4、的變化并不敏感。而后，利用LLP變分法和自洽計(jì)算方法探討應(yīng)變纖鋅礦GaN/InxGa1-xN量子阱中激子態(tài)的極化子效應(yīng).結(jié)果顯示，內(nèi)建電場(chǎng)、激子-聲子相互作用以及電子-空穴等離子氣體都降低電子和空穴的庫(kù)侖耦合作用而減小激子結(jié)合能。在所有電-聲子相互作用當(dāng)中，界面光學(xué)聲子對(duì)激子結(jié)合能始終起決定性作用。二維電子空穴氣體不僅屏蔽內(nèi)建電場(chǎng)，也弱化激子結(jié)合能的極化子效應(yīng)，而且較高濃度的二維電子空穴氣體甚至造成激子失穩(wěn)。
　　 (3)依次針

5、對(duì)AlxGa1-xN/InyGa1-yN/InzGa1-zN單量子阱、外電場(chǎng)調(diào)制下ZnO/MgxZn1-xO單量子阱、GaN/AlxGa1-xN耦合雙量子阱和插入納米凹槽InyGa1-yN層的GaN/AlxGa1-xN臺(tái)階量子阱，研究這些阱結(jié)構(gòu)中電子的子帶間躍遷的光學(xué)吸收。結(jié)果表明，無(wú)論是增加單量子阱中某一勢(shì)壘的高度或通過外加電場(chǎng)抑制系統(tǒng)中的內(nèi)建電場(chǎng)，還是使用五層量子阱結(jié)構(gòu)(雙阱或插入納米凹槽層)，都將增加電子的量子限制作用。選擇合適的

6、結(jié)構(gòu)參數(shù)(尺寸和組分)、外電場(chǎng)和應(yīng)力，可獲得所要求太赫茲頻率范圍內(nèi)的光學(xué)吸收。此外，我們還初步探討了外應(yīng)力對(duì)電子能級(jí)和吸收譜的影響。
　　 (4)利用費(fèi)米黃金法則探討各類光學(xué)聲子模的彈性散射對(duì)電子的子帶間躍遷的影響，計(jì)算纖鋅礦GaN/InxGa1-xN量子阱中電子從基態(tài)到第一激發(fā)態(tài)的聲子輔助躍遷率。結(jié)果表明，內(nèi)建電場(chǎng)使界面光學(xué)聲子和半空間光學(xué)聲子在1-2躍遷過程中起重要作用，并大幅降低電子躍遷率。
　　 藉此可望拓展和豐