氮化物宽禁带半导体量子阱、量子点杂质态的电子特性研究.pdf

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1、AdissertationsubmittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofdoctorTheStudyoftheImpurityStatesinQuantumWellandQuantumDotofWideBandgapN-basedSemiconductorBy：YingnaiWeiSupervisor：Prof．XinjianLiCondensedMatterPhysicsSchoolofPhysicsandEngineeringOctober,2012

2、原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。学位论文作者：貔蓑耐日期：2．017-年I三月f≥日学位论文使用授权声明本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和

3、电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。学位论文作者：疆亨冬而寸日期：2。f乙年Iz-：弓f2，日摘要宽禁带半导体材料氮化镓基异质结构由于其在光电子器件，特别是高清亮的蓝／绿发光二极管和激光二极管等方面的广泛应用，已经受到人们的广泛关注。对低维宽禁带半导

4、体材料的研究不但在理论上有重要意义，而且可以为半导体器件的设计提供新思路和指导。本文在有效质量近似的理论框架下，采用变分法理论上研究了纤锌矿GaN／AIGaN量子阱／纤锌矿InGaN阶梯量子阱／闪锌矿InGaN阶梯量子阱中类氢施主杂质态的性质和闪锌矿InGaN／GaN量子点中受主杂质态的性质。本论文首先简要介绍了半导体材料以及量子阱和量子点的有关知识，同时也展现了GaN基量子结构中杂质态的研究现状。接着介绍了IⅡ．V族氮化物，讨论了GaN基化合物的有关性质。并详细地分析了纤锌矿结构材料中存在的应

5、变和极化现象，以及由自发极化和压电极化所引起的强内建电场。随后给出了纤锌矿CmN／A1GaN应变量子阱中和闪锌矿InGaN／GaN量子点中的杂质态理论模型。最后列出了论文中具体的数值计算结果，并且给出了合理的物理解释。基于有效质量近似，考虑了由于自发极化和压电极化所产生的强内建电场，采用类氢型的试探波函数，使用变分法研究了垒宽对纤锌矿GaN／A1GaN量子阱中类氢杂质施主束缚能的影响。计算结果表明：在纤锌矿GaN／A1GaN量子阱中，随着势垒宽度的增大，阱层中内建电场的强度增大接着保持常数。此外

6、，对于任何杂质位置，量子阱中的势垒宽度较大时施主束缚能对垒宽的变化是不敏感的。纤锌矿GaN／AIGaN量子阱中阱层中内建电场和位于生长方向任何位置的类氢杂质的施主束缚能在较小的垒宽(≤8rim)时都明显地依赖于势垒宽度。可是，纤锌矿GaN／A1GaN量子阱中阱层中内建电场和位于生长方向任何位置的类氢杂质的施主束缚能在较大的势垒宽度(≥8rim)时对于势垒宽度都是不敏感的。并且，当Al含量增大时，对量子阱右边的杂质施主束缚能增大，然而，对量子阱中间和左边的杂质施主束缚能有较小的减少。而且，位于量子

7、阱右端的杂质在势垒宽度较大(≥8m)时，杂质施主束缚能对于任何阱宽和Al含量都是不依赖于势垒宽度的。接着，我们对纤锌矿Ino．2Gao．sN／InyGal．rN阶梯量子阱中的施主杂质态进行T摘要研究，其主要结论为：施主束缚能随着杂质位置的变化有一个最大值，并且最大值位置位于纤锌矿Ino．2GaogN,q．nyGal-yN阶梯量子阱中的InyGal-yN阱层中。我们计算了纤锌矿Ino．2Gao8N／InyGal．yN对称和非对称阶梯量子阱中激子束缚能、电子．空穴复合率和发射波长随结构参数的变化规律

8、。数值计算结果表明激子态和光学特性高度依赖于结构参数，如阱宽和铟含量Y。使用特定的闪锌矿InGaN／GaN阶梯量子阱的例子，理论上研究了外加电场和阶梯势垒对半导体量子阱中的类氢杂质态的影响。主要结论为：电子和杂质的状态高度地依赖于阶梯量子阱中的外加电场和阶梯势垒。相对于阶梯势垒层，沿．z方向的外加电场对(位于任何位置的)杂质的施主束缚能具有更显著地影响。为了研究外电场对闪锌矿InGaN／GaN量子点中受主杂质态的影响，本文在有效质量近似下，采用两个参量高斯型的试探波函数，运用变分法研究了量子点点