纤锌矿结构InGaN/GaN量子阱中的激子态和类氢施主杂质态

摘要

在纤锌矿结构InGaN/GaN量子阱中存在着由压电极化和自发极化引起的很强的内建电场，它对量子阱的性质有着很大的影响。本论文在有效质量近似理论和包络函数理论的基础上，考虑内建电场的作用，运用变分的方法计算了纤锌矿InGaN/GaN量子阱结构中的激子态，垒宽对纤锌矿InGaN/GaN量子阱结构中激子态的影响和纤锌矿结构staggered InGaN/GaN量子阱中的类氢施主杂质态，分析研究了它们的相关性质随量子阱结构参数的变化规律，并且探讨了内建电场和量子受限的竞争效应。对计算结果讨论后得出如下结论。
　　在纤锌矿结构InxGa1-N/GaN量子阱中，内建电场、阱宽以及In含量对基态激子的结合能、带间光跃迁能和积分吸收几率有着很大的影响。随着阱宽的变化激子结合能有一个极大值。对任意的InGaN/GaN量子阱，内建电场的存在使激子结合能、带间光跃迁能和积分吸收几率下降。In含量的变化对窄阱内的激子态和相关光学性质影响非常明显；而内建电场对宽阱内的激子态和相关光学性质影响更显著。特别地，由于内建电场的作用，当InGaN/GaN量子阱的阱宽大于4 nm时积分几率下降到零，这与不考虑电场时有着很大的不同。
　　有限垒宽模型下，纤锌矿结构InGaN/GaN量子阱中的基态激子的结合能、带间光跃迁能和积分吸收几率明显地依赖于垒宽及其它结构参数。当垒宽增加时，激子结合能和积分吸收几率都是先减小然后当垒宽大于8 nm时不再变化。而带间光跃迁能在垒宽大于某一垒宽时也不再随垒宽变化而改变，而且这一垒宽随阱宽的增加而增加。随着阱宽的增加，激子结合能和积分吸收几率都有一个极大值而带间光跃迁能却一直下降。特别地，当阱宽大于6 nm时，积分吸收几率趋近于零。当In含量增加时，对于窄量子阱，由于内建电场和量子受限的竞争，激子结合能先增加后减小；而对于宽量子阱，激子结合能一直减小。
　　在staggered In0.2Ga0.8N/InyGa1-yN量子阱中，类氢施主杂质结合能随着杂质位置的变化有一个极大值而且这个极大值对应的杂质位置在InyGa1-yN层中。对于任意位置的杂质，当In含量y大于0.125时，施主结合能对In含量y的增加变化不明显。随着阱宽L的增加，对于位于zi=-L，-L/2，0和L/2的杂质，施主结合能逐渐下降。而对于位于In0.1GaL0.9N右边界的杂质来说，由于staggered型量子阱的受限作用和内建电场作用的相互竞争，施主结合能在2nm附近有一个极小值，直到阱宽大于3nm时，施主结合能不再随阱宽的增加而变化。