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电场下应变GaN/Al_xGa_(1-x)N异质结中的杂质态及压力效应

张敏  
【摘要】: 近年来,由于A1N、GaN和InN及其化合物等宽禁带Ⅲ族氮化物半导体在光电子器件,特别是高亮度的蓝/绿发光二极管和激光二极管等方面应用的快速发展而受到人们的广泛关注.对应变宽带隙半导体异质结构材料的研究对其物性改进和理论发展有着重要的实际意义,并可为半导体器件的设计提供指导和新思路. 本文将简化相干势近似推广到计算三元混晶参数,将改进的LLP变换方法用于处理电子-声子相互作用,采用变分法研究外电场作用下应变氮化物半导体实际异质结中施主杂质态的结合能,并讨论压力,屏蔽和电子-声子相互作用对其的影响.本文的工作分为三个主要部分. 第一部分的工作是在以GaN为衬底的应变闪锌矿GaN/AlxGa1-xN异质结系统中,考虑理想界面突变势垒,分别计算了[001]和[111]取向时杂质态的结合能.相对于纤锌矿结构,闪锌矿结构氮化物半导体具有高对称性、低声子散射率以及易于解理等优点,故对其进行深入研究有着重要意义.从结果发现,杂质态结合能随流体静压力呈近线性变化.电场对杂质态结合能的Stark效应则随杂质位置不同而呈现谱线蓝、红移动.对于不同的晶体生长方向,杂质态结合能对于电场、压力和Al组分变化的敏感程度有显著差异. 基于第一部分研究闪锌矿氮化物异质结的基础上,本文的第二部分,将工作向自由应变纤锌矿氮化物异质结进行扩展,讨论其中的杂质态问题.我们对[0001]取向的自由应变纤锌GaN/AlxGa1-xN异质结中施主杂质态的量子局域Stark效应及压力效应进行了理论计算,并进一步考虑无规相近似下介电屏蔽对其的影响.相对于闪锌矿结构而言,纤锌矿异质结系统中杂质态的结合能明显增大约40%,由于压力对电子有效质量和介电常数均有影响,从而加大了Stark效应的红移.可以看到,随着电场和杂质位置的增加,压力对于Stark能移的影响变得更为显著.若考虑屏蔽的影响,则杂质态结合能显著降低.对于给定杂质位置,有屏蔽作用时,结合能的变化对于流体静压力较无屏蔽时更为敏感,并明显减弱随电场增大的Stark蓝(红)移. 文章的第三部分,利用改进的LLP中间耦合方法处理电子-声子、杂质-声子的相互作用,讨论压力下应变纤锌矿异质结中束缚极化子的结合能以及外电场作用下的量子局域Stark效应.若考虑半空间声子模和界面声子模的影响,束缚极化子的结合能则显著下降.半空间声子的贡献较界面声子对结合能的贡献大三倍左右,且类LO声子和高频支IF声子对结合能的贡献起主要作用,对于不同杂质位置,考虑声子作用后,Stark蓝移显著下降,而Stark红移的变化则与电场强度的大小有一定关系.


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