ⅲ族氮化物量子点体系激子特性的研究

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1、摘要近年来，由于其在光电子器件方面的潜在应用，III一族氮化物体系的研究取得了巨大的进步。三族氮化物和它们的合金具有六角纤锌矿晶体结构和复杂的价带结构，且有直接而大的带隙，因此它们可用于制造蓝、绿和紫外光发射器件以及高温晶体管。本文利用有效质量方法和变分原理，考虑内建电场和量子点的三维约束效应，研究了约束在GaN／Al。Gal．xN量子点中的激子态。详细讨论了激子态和量子点的结构参数咀及势垒层中的Al含量之间的关系。结果表明：由自发极化和压电极化引起的内建电场导致量子点的有效带隙减小，电子、空穴产生明显分离，这对量子点

2、的光学特性有重要影响；随A1含量的增加，GaN／Al。Gal．。N异质界面处的导带不连续性增强，势垒变高，载流子受到的约束增强，激子结合能增加，电子一空穴的复合率先增大后减小，存在最大值：对给定体积的量子点，随高度的变化激子结合能存在最大值，相应的电子、空穴被最有效约束，激子态最稳定。为了获得有效的电子、空穴复合过程，量子点的高度应该小于5．5nm。本文还研究了In。Gal．xN／GaN量子点系统。由于极化效应而在In。Gal_xN量子点内产生的内建电场将使InGaN材料的能带发生弯曲、有效带隙减小。同时，电场使电子、

3、空穴向相反的方向移动，使得电子和空穴的波函数在z方向产生显著分离，电子被局域在量子点的顶部，而空穴被局域在量子点的底部。这些都将对量子点的光学性质产生重要影响。数值计算发现：对给定体积的hlxGal．xN，GaN量子点，激子结合能存在一最大值，此时电子、空穴被最有效的约束在量子点内。对不同体积的量子点，最大值的位置在量子点高度L=1．7nm附近取得。这一结果对量子点光电子器件的设计有一定的指导意义：由于自发极化和压电极化而引起的内建电场使电子、空穴产生明显的空间分离，激子结合能减小。在应用InxGal一。N／GaN量子

4、异质结时，内建电场是一个重要因素，必须加以考虑；量子点的结构参数和In。Gal—xN激活层中的In含量对激子结合能和光发射波长有重要影响。关键词：量子点，自发极化和压电极化，电子一空穴的复合率，激子结合能Abstl·actInrecentyears，theprogressinthe靠el出0fgroupIII—nitrideshasbeenspectacularduetotheirpotemialdeVice印plication·ThegroupIIl-nitridesa11dtheiralloys，withwunzi

5、tecryStalstⅢctureandcompJicatedvalencebandstmcture，arecharacterizedbytheirdirectandlargebandg印s．Theycanbeusedforgreen，blueandultravioletIightemmingdeVicesandforhightemper砒uretransistorS．Int11isthesis，wjthintheframeworkofeffective—maSs印proximation，出eexcitonstates

6、con竹nedi“GaN／Al×Gal_xNcylindricalqu酊numdots(QDs)areinvestigatedbymeallsofVari砒ionalapproach．TherelationshipbeMeenexcitonstates州dthestructuralparameteI’softheQDsisstudiedindetail．ThenumencaIresultsshowthatbum·inelectricfield(BEF)duetothepiezoelec打icityandspontane

7、叫spoIarizationleadstoaremark曲lereductionoftheQDe舵ctiVebandgap锄da11印paremelectron小olespatiaIseparationTheQDsopticaIpropertiesaremusgreatlyafrectedbytheBEFWj舶meAlcontemincreasing，thebarrierbecomeshighe‘andmecarriersaremorestrongIyconnnedinthequantumdot．Theexcitonb

8、indingenetgyincreasesw“htheincreasingofAlcontent，andthere．samaximumintheelecnDn_holerccombinationrate．Also，thereisamaximuminthebindingene唱yforadefiniteVolume，whefethe