應變纖鋅礦量子阱中的電子態(tài).pdf

1、近些年，應變纖鋅礦半導體及其低維結(jié)構(gòu)材料廣泛應用于現(xiàn)代照明和太赫茲通信領域，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，是理論和實驗研究的熱點問題之一。本論文主要從理論上研究應變纖鋅礦量子阱(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)之間躍遷的光學吸收及聲子散射的影響，探討提高基于此類材料的光學器件的量子效率的可能性。通過計算，我們發(fā)現(xiàn)由于界面、應變和各向異性對材料的能帶結(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。本論文的主要內(nèi)容和結(jié)論概括如下：
　　 (1)采用變分法分別計算應變纖鋅礦非對稱結(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。探討單量子阱勢壘的寬度或(和)高度變化施與雜質(zhì)結(jié)合能的尺寸效應。進而，討論調(diào)整雙量子阱的中間壘層對雜質(zhì)態(tài)結(jié)合能的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，內(nèi)建電場和應變

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

4、的變化并不敏感。而后，利用LLP變分法和自洽計算方法探討應變纖鋅礦GaN/InxGa1-xN量子阱中激子態(tài)的極化子效應.結(jié)果顯示，內(nèi)建電場、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-聲子相互作用當中，界面光學聲子對激子結(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，也弱化激子結(jié)合能的極化子效應，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AlxGa1-xN/InyGa1-yN/InzGa1-zN單量子阱、外電場調(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吸收。結(jié)果表明，無論是增加單量子阱中某一勢壘的高度或通過外加電場抑制系統(tǒng)中的內(nèi)建電場，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)、外電場和應力，可獲得所要求太赫茲頻率范圍內(nèi)的光學吸收。此外，我們還初步探討了外應力對電子能級和吸收譜的影響。
　　 (4)利用費米黃金法則探討各類光學聲子模的彈性散射對電子的子帶間躍遷的影響，計算纖鋅礦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)建電場使界面光學聲子和半空間光學聲子在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