应变纤锌矿量子阱中的电子态

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1、应变纤锌矿量子阱中的电子态摘要近些年，应变纤锌矿半导体及其低维结构材料广泛应用于现代照明和太赫兹通信领域，成为制备新一代电子和光电子器件的重要材料．该体系中的电子态与材料的发光和光伏性质密切相关，是理论和实验研究的热点问题之一．本论文主要从理论上研究应变纤锌矿量子阱(主要为氮化物)中杂质态、激子态和阱束缚电子从基态到激发态之间跃迁的光学吸收及声子散射的影响，探讨提高基于此类材料的光学器件的量子效率的可能性．通过计算，我们发现由于晁面、应变和各向异性对材料的能带结构、声子模式以及介电性质等的显著影响，使该类量子阱系统中的电子态呈现出诸多新特点．本论文的主要内容和结论概括如下：(1)采用变分

2、法分别计算应变纤锌矿非对称结构AIzGal_直N／GaN／AlyGal．vN单量子阱和GaN／AI工Ga。_xN双量子阱中电子束缚于类氢施主杂质的基态结合能．探讨单量子阱势垒的宽度或(和)高度变化施与杂质结合能的尺寸效应．进而，讨论调整双量子阱的中间垒层对杂质态结合能的影响，结果发现，内建电场和应变引起的带阶变化对结合能影响很显著，中间垒变化到某一阱的电势低于另外一个阱之时，结合能呈现突变现象．作为对比，我们还讨论了在有无内建电场作用下该双阱结构中基态结合能随左右阱宽比例和杂质位置的变化关系．(2)首先采用变分法计算应变纤锌矿GaN／AlxGal．抖耦合双量子阱中的激子基态结合能．计算结

3、果表明，受量子阱尺度调制的内建电场可导致直接和间接激子类型的转变．在非对称双量子阱中几乎都是间接激子，其结合能很小而且对结构尺度的变化并不敏感．而后，利用LLP变分法和自洽计算方法探讨应变纤锌矿GaN／In工Ga。．烈量子阱中激子态的极化子效应．结果显示，内建电场、激子．声子相互作用以及电子一空穴等离子气体都降低电子和空穴的库仑耦合作用而减小激子结合能．在所有电．声子相互作用当中，界面光学声子对激子结合能始终起决定性作用．二维电子空穴气体不仅屏蔽内建电场，也弱化激子结合能的极化子效应，而且较高浓度的二维电子空穴气体甚至造成激子失稳．(3)依次针对AI工Gal_并N／InyGal_yN／I

4、nzGal_zN单量子阱、外电场调制下ZnO／Mg。Znl啊0单量子阱、GaN／AI互Gal．抖耦合双量子阱和插入纳米凹槽InyGal．vN层的GaN／AlxGa，科台阶量子阱，研究这些阱结构中电子的子带间跃迁的光学吸收．结果表明，无论是增加单量子阱中某一势垒的高度或通过外加电场抑制系统中的内建电场，还是使用五层量子阱结构(双阱或插入纳米凹槽层)，都将增加电子的量子限制作用．选择合适的结构参数(尺寸和组分)、外电场和应力，可获得所要求太赫兹频率范围内的光学吸收．此外，我们还初步探讨了外应力对电子能级和吸收谱的影响．(4)利用费米黄金法则探讨各类光学声子模的弹性散射对电子的子带间跃迁的影响

5、，计算纤锌矿GaN／InxGal“量子阱中电子从基态到第一激发态的声子辅助跃迁率．结果表明，内建电场使界面光学声子和半空间光学声子在1．2跃迁过程中起重要作用，并大幅降低电子跃迁率．藉此可望拓展和丰富对应变纤锌矿低维结构材料中电子态的认识，并指导相关光电子实验和器件的设计．关键词：电子态；量子阱；纤锌矿；应变TIIEELECTRoNSTATESINSTR址NEDWURTZITEQUANTUMWELLSABSTRACTInrecentyears，strainedwurtzitesemiconductorsandtheirlow．dimensionals缸uchⅡesarewidelyuse

6、dinmodernilluminationandterahertzcommunicationandbecomeimportantmaterialsforfabricatinganewgenerationofelectronicandopto-electronicdevices．Theelectronstatesinthesesystemsarecloselyrelatedtothelight—emittingandphotovoltaicpropertiesofmaterialsthusbecomeonefocusoftheoreticalandexperimentalresearche

7、s．Inthisthesis，theimpuritystates，excitonstatesandopticalabsorptionsofelectronsboundbyquantumwellstransittingfromgroundstatestoexcitedstatesaswellastheeffectofphononscatteringinstrainedwurtzitequantumwells(thekeystonesa