（理论物理专业论文）电场下应变ganalxga1xn异质结中的杂质态及压力效应.pdf

原创性声明 本人声明：所廿交的。￥：f 每论文是本人住导师的 竹导l 、进行的研究l 作及取得的川究j 戊泶。除本文已经 注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发& 旦贬拱下j 过的研究成果，也不包。含为捩7 ：凼鐾直太堂及其 他教育机构的学何或证i5 而使心过的材料。j 我川if 1 的川忠对本 i 丌究所做的f i ! f l , i j 岫走均已住论文中做 了明确的说明前表示谢意。 学位论文作者签名： 日期： 艰咎一斛敦帅签名： 三! 望：! 兰：l 1r ，汐f 厂 2 c ：。多 在学期间研究成果使用承诺书 本学何论文作辛；完全了解学校有犬保留、使川：f ? ，论文的规定，即：内蒙占人。；j f j 权j i 学位论文的全 部内容或部分保留奠：向国家有火机构、部fj 送交j j f ? ，i ：艾f 内复印仲币磁龠，允许编入“l 坡圳j 车进行检索， 也可以采h j 影印、缩叫或其他复制手段保存，j i 编“i ，沦文。为保护：院和导师的j i i i ! y 。十，作者在学期 间取得的研究成聚属丁内蒙占人学。作者今i i 使川涉 乏a 学州间= l 三要研究内容或研7 e 成粜须征得内蒙占 人学就读期间导师的同意：若川】i 发表论文版权簟f 寸必须署名为内蒙f 1 1 人学方川j 健稿! 幢公开发表。 学f 静论文f 1 符+ 签z ： 【il j 孑瓷石丑 型二! 旦 黼剥i | j 篙名：墨立! 兰l f 、 旨导敦| j i | j 篙名：堡4 1 一羔一匕二一 i 州：旦吐 电场下应变g a n a l x g a l _ x n 异质结中的杂质态及压力效应 摘要 近年来，由于a 1 n 、g a n 和i n n 及其化合物等宽禁带i i i 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l l p 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g a n 为衬底的应变闪锌矿g a n a l x g a l 划异质结系 统中，考虑理想界面突变势垒，分别计算t 0 0 1 并h 1 1 1 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s t a r k 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a l 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 o o o1 取向的自由应变纤锌g a n a l x g a l _ x n 异质结中施主杂质态的量子局域s t a r k 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 4 0 ，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s t a r k 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s t a r k 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s t a r k 蓝( 红) 移 文章的第三部分，利用改进的l l p 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s t a r k 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l o 声子和高频支i f 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，s t a r k 蓝移显著下降，而s t a r k 红移的变化则与 电场强度的大小有一定关系 关键词：应变异质结；杂质态；电场；流体静压力；s t a r k 能移 i m p u r i t ys t a t e sa n dp r e s s u r ee f f e c ti n s t r a i n e dg a n a l x g a l x nh e t e r o j u n c t i o n s u n d e re l e c t r i cf i e l d s a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ep h y s i c a lp r o p e r t i e so fq u a n t u mh e t e r o s t r u c t u r e sc o m p o s e do f t h eg r o u p i i in i t r i d e ss e m i c o n d u c t o r sw i t hw i d e b a n d g a p s ，s u c ha sa 1 n ，g a n ，a n d i n n ，a n dt h e i rt e m a r yc o m p o u n d s ，a r ew i d e l ys t u d i e dd u et od e v e l o p m e n to ft h e i r p r o m i s i n ga p p l i c a t i o ni n t h ef a b r i c a t i o no fo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s ，p a r t i c u l a r l yf o r h i g h - b r i g h t n e s sb l u e g r e e nl i g h t e m i t t i n gd i o d e s ( l e d s ) a n dl a s e rd i o d e s ( l d s ) t h e i n v e s t i g a t i o ni nt h es t r a i n e ds e m i c o n d u c t o rh e t e r o s t r u c t u r em a t e r i a l sw i t hw i d e - b a n d g a p sh a sa ni m p o r t a n tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et oi m p r o v et h e i rp h y s i c a lp r o p e r t i e sa n d t os p e e du pt h e o r e t i c a ld e v e l o p m e n t ，a n dc a np r o v i d eag u i d a n c ea n dn e wi d e a sf o r t h ed e s i g no fs e m i c o n d u c t o rd e v i c e s a s i m p l i f i e dc o h e r e n tp o t e n t i a la p p r o x i m a t i o ni sd e v e l o p e d t oc a l c u l a t ep h y s i c a l p a r a m e t e r so ft e m a r ym i x e dc r y s t a l sa n dam o d i f i e dl e e - - l o w - p i n e st r a n s f o r m a t i o ni s a p p l i e dt o d e a lw i t ht h ee l e c t r o n p h o n o ni n t e r a c t i o n i nt h i st h e s i s ，av a r i a t i o n a l m e t h o di sa p p l i e dt oi n v e s t i g a t eb i n d i n ge n e r g i e so fd o n o ri m p u f i t ys t a t e si ns t r a i n e d r e a l i s t i ch e t e r o j u n c t i o n so fn i t r i d es e m i c o n d u c t o r su n d e re x t e r n a le l e c t r i cf i e l d s ，a n d t h ei n f l u e n c ef r o mt h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ne l e c t r o n sa n dp h o n o n s ，a sw e l la st h e e f f e c t so fh y d r o s t a t i cp r e s s u r ea n ds c r e e n i n g ，i sa l s os t u d i e d t h et h e s i si so r g a n i z e d a st h r e em a i np a r t s i f i r s t l y , t h eb i n d i n ge n e r g i e s o fi m p u r i t ys t a t e si ns t r a i n e dz i n c b l e n d e g a n a l x g a l “h e t e r o j u n c t i o n sw i t hg a ns u b s t r a t e s a n dw i t h 0 01 】a n d 111 o r i e n t a t i o n sa r er e s p e c t i v e l yc a l c u l a t e db yc o n s i d e r i n gt h ea b r u p tc h a n g eo fp o t e n t i a l b a r r i e r sf o ri d e a l i n t e r f a c e s c o m p a r e dw i t h aw u r t z i t es t r u c t u r e ，an i t r i d e s e m i c o n d u c t o rw i t hz i n c - b l e n d es t r u c t u r eh a sa d v a n t a g e so fh i g hs y m m e t r y , l o w p h o n o ns c a t t e r i n gr a t i o ，a sw e l la st h ee a s yc l e a v a g e ，s ot h a tt h ef u r t h e rs t u d yo nt h i s s t r u c t u r eh a sa ni m p o t a n ts i g n i f i c a n c y t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h eb i n d i n ge n e r g i e s o fi m p u r i t ys t a t e sn e a r l yl i n e a r l yi n c r e a s ew i t hp r e s s u r e t h es t a r ke f f e c to nt h e b i n d i n ge n e r g i e sa saf u n c t i o no f e l e c t r i cf i e l d ss h o w sab l u eo rr e ds h i f tf o rd i f f e r e n t i m p u r i t yp o s i t i o n s ，r e s p e c t i v e l y f o rd i f f e r e n tc r y s t a lg r o w t hd i r e c t i o n s ，b i n d i n g e n e r g i e so fi m p u r i t ys t a t e sh a v es i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n ts e n s i t i v i t i e sf o rt h ee l e c t r i c f i e l d ，p r e s s u r e ，a n dc h a n g eo f a lc o m p o s i t i o n b a s e do nt h ei n v e s t i g a t i o na b o u tz i n c b e n d en i t r i d eh e t e r o j u n c t i o n si nt h ef i r s t p a r t ，t h es e c o n dp a r to ft h et h e s i se x p a n d st h ei n v e s t i g a t i o nt od e a lw i t ht h ei m p u r i t y s t a t e si nf r e es t r a i n e dw u r t z i t en i t r i d eh e t e r o s t r u c t u r e s at h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o ni s p e r f o r m e da b o u tt h eq u a n t u mc o n f i n e ds t a r ke f f e c ta n dp r e s s u r ee f f e c to nt h ed o n o r i m p u r i t y s t a t e s i n o o o1 一o r i e n t e d f r e es t r a i n e dw u r t z i t eg a n a l x g a l 划 h e t e r o j u n c t i o n s f u r t h e r m o r e ，u n d e rt h er a n d o m p h a s e a p p r o x i m a t i o n ，t h ei n f l u e n c e o fd i e l e c t r i cs c r e e n i n go nt h ei m p u r i 够s t a t e si sa l s ot a k e ni n t oa c c o u n t t h eb i n d i n g e n e r g i e so fi m p u r i t i e si n aw u r t z i t eh e t e r o j u n c t i o ns y s t e mi n c r e a s ea b o u t4 0 t h a n t h a ti naz i n c b l e n d es t r u c t u r e t h es t a r ke n e r g yr e ds h i f ti n c r e a s e sd r a m a t i c a l l yd u e t ot h ei n f l u e n c ef r o mh y d r o s t a t i cp r e s s u r eo nt h ee f f e c t i v em a s so fa ne l e c t r o na n d i v d i e l e c t r i cc o n s t a n t so f m a t e r i a l s t h ei n f l u e n c ef r o mp r e s s u r eo nt h es h i f ti sm o r e o b v i o u sw i t hi n c r e a s eo fe l e c t r i cf i e l da n di m p u r i t yp o s i t i o n w h e nt h es c r e e n i n g e f f e c ti st a k e ni n t o a c c o u n t ，t h eb i n d i n ge n e r g i e s o fi m p u r i t ys t a t e sd e c r e a s e d r a m a t i c a l l y f o rag i v e ni m p u r i t yp o s i t i o n ，t h ec h a n g eo f s c r e e n e db i n d i n ge n e r g i e s w i t ht h ei n c r e a s eo ft h eh y d r o s t a t i cp r e s s u r ei sm o r es e n s i t i v et h a nt h o s ew i t h o u tt h e s c r e e n i n ge f f e c ta n di td e c r e a s e sd r a m a t i c a l l ys t a r kb l u e ( r e d ) s h i f ti n c r e a s i n gw i t ha n e l e c t r i cf i e l d i nt h et h i r dp a r to ft h et h e s i s ，t h eb i n d i n ge n e r g i e so fb o u n dp o l a r o n sn e a rt h e i n t e r f a c eo fas t r a i n e dw u r t z i t eh e t e r o j u n c t i o na n dq u a n t u mc o n f i n e ds t a r ke f f e c t u n d e ra ne x t e r n a le l e c t r i cf i e l da r es t u d i e d am o d i f i e dl l pv a r i a t i o n a lm e t h o di s u s e dt od e a lw i t ht h ei n t e r a c t i o n s o fe l e c t r o n p h o n o na n di m p u r i t y - p h o n o n c o n s i d e r i n g t h ei n f l u e n c e sf r o mt h e h a l f - s p a c ep h o n o n m o d e sa n dt h e i n t e r f a c e o p t i c a lp h o n o nm o d e s ，t h eb i n d i n ge n e r g i e s b o u n dp o l a r o n sd e c r e a s e d r a m a t i c a l l y t h ec o n t r i b u t i o nf r o mt h eh a l f - s p a c ep h o n o nm o d e so nt h eb i n d i n g e n e r g i e si st h r e et i m e sl a r g e rt h a nt h a tf r o mt h ei n t e r f a c eo p t i c a lp h o n o nm o d e s t h e c o n t r i b u t i o n sf r o mt h el o 1 i k ep h o n o nm o d ea n do n eb r a n c ho fi fp h o n o nm o d e s w i t hah i g h e rf r e q u e n c yp l a ya ni m p o r t a n tr o l ef o rt h eb i n d i n ge n e r g y w i t hd i f f e r e n t i m p u r i t yp o s i t i o n s ，t h es t a r kb l u es h i f td e c r e a s e so b v i o u s l yb u tt h ec h a n g eo ft h e s t a r kr e ds h i f th a sac e r t a i nr e l a t i o n s h i pw i t ht h ee l e c t r i c f i e l db yc o n s i d e r i n gt h e p h o n o ne f f e c t k e y w o r d s ：s t r a i n e dh e t e r o j u n c t i o n ；i m p u r i t ys t a t e ； e l e c t i cf i e l d ；h y d r o s t a t i c p r e s s u r e ；s t a r ke n e r g ys h i f t v 目录 第一章绪论1 1 1国内外研究状况1 1 2 论文内容安排7 第二章外电场下应变闪锌矿异质结中的施主杂质态9 2 1 理论与模型9 2 2 应变及流体静压力对参数的影响：1 l 2 3 数值计算与结果讨论1 4 2 4结论1 7 第三章压力对应变纤锌矿g a n a l x g a l 划异质结中s t a r k 效应的影响1 8 3 1 理论与模型18 3 2 应变及流体静压力对参数的影响1 8 3 3 数值计算与结果讨论2 0 3 4 结论2 4 第四章应变纤锌矿g a n a l x g a l d 异质结中s t a r k 效应的屏蔽影响2 5 4 1 理论与模型2 5 4 2 数值计算与结果讨论。2 6 4 3结论2 8 第五章电场下应变纤锌矿g a n a i x g a l “异质结中束缚极化子的压力效应2 9 5 1 理论与模型2 9 5 2 结果与讨论3 2 5 4 结论3 6 第六章总结3 7 参考文献：3 8 弱【j 射4 9 攻读博士学位期间发表和完成的学术论文5 0 v i 第+ 一章绪论 第一章绪论 1 1 国9 1 研究状况 上世纪5 0 年代，以硅为代表的第一代半导体晶体管的发明，为人类开启了电子科技的大 门随后，以砷化镓为代表的第二代半导体的深入研究及其器件的研制与开发，又进一步推 动了现代微电子技术、光电子技术和激光技术的发展随着人们对于半导体器件性能的要求 日益提高，以氮化镓为代表的第三代半导体日益受到人们的关注，它具有高导热率、高电离 度和宽禁带等特点，可以满足人们对于半导体器件的一些新的要求，诸如高发光强度、快频 率响应、宽波长范围和长使用寿命等，从而成为自2 0 世纪9 0 年代至今半导体研究的持续热 点之一此类半导体材料所构成的低维量子结构有许多新的物理性效应，下面我们对感兴趣 的有关领域的研究现状和发展作一简单的回顾 两种不同的半导体材料做成一块单晶，称为异质结，它是量子阱和超晶格最基本的组成 单元异质界面处两种不同材料的导带能级差使电子被局域在由界面势垒和导带弯曲形成的 势阱中，使之具有准二维特性先前被广泛研究的准二维量子阱材料以g a a s 基半导体为主， 还有z n s e c d s e 、h g s c d s 等，由于这些低维量子体系在电学、光学和输运方面有着与体材 料不同的性质，而引起了人们的极大关注 对于氮化物异质结和量子阱的早期研究由于受到晶体生长质量的限制，一直未得到发展， 直到异质结的生长技术( 如气相外延( v p e ) 、金属有机物化学气相沉积( m o c v d ) 和分子束外 延( m b e ) 等) 取得重大突破时，人们才得以制备高质量的氮化物异质结1 9 6 9 年，m a r u s k a 等人采用c v d 技术在蓝宝石衬底上异质外延出大面积的g a n 晶体 1 】，从而为氮化物量子器 件的研制奠定了基础 常用的氮化物半导体，如氮化铝( a 1 n ) 、氮化镓( g a n ) 和氮化铟( i n n ) 以及它们的三元和四 元合金构成的异质结构( 单异质结、量子阱、量子线、量子点和超晶格等) 具有非常优异的 物理特性，它们均为直接带隙的宽禁带半导体，其发光波长覆盖了从紫光到红光的整个可见 光范围，并可延伸到紫外和红外波段1 9 9 5 年，n a k a m u r a 等人利用i n g a n g a n 超晶格结构， 研制成功了高亮度、长寿命的可见光( 特别是蓝光) l e d 器件 2 ，3 】，并投入工业生产和市场 应用至此，g a n 基半导体光电子技术研究的局面被全面打开，氮化物材料被广泛应用于制 造短波长光电子器件( 如蓝光或紫外发光二极管、激光器和紫外探测器) ，高迁移率晶体管， 内蒙t i 大学博士学位论文 场效应管和大功率微波二极管等 4 6 】 氮化物半导体可形成六方对称纤锌矿和立方对称闪锌矿两种晶体结构，其最稳定的晶体 结构主要为各向异性的六角纤锌矿结构 7 8 ，族氮化物可以看成是分别由氮原子和族原 子组成的两个六角密堆积结构沿c 轴方向错开3 c 8 套构而成，c 即六角密堆积结构沿 0 0 0 1 方向 的晶格常数，再加上基底六边形的边长a ，就可以完全的描述这种晶体结构对于纤锌矿结构， 氮化铝、氮化镓和氮化铟的带隙分别为6 2 5 e v ，3 5 1 e v 和0 7 8 e v 9 】，且它们可以形成连续的 合金系统( ! t l l l n g a n 、i n a i n 和a i g a n ) ，使得材料的带隙可以覆盖0 7 8 e v 至l j 6 2 5 e v 的能量区间 族氮化物形成异质结时，由于有较大的晶格常数失配，导致很强的压电极化效应，在氮化 物量子异质结中会形成强内建电场，从而引起电子、空穴的明显空间分离，降低复合发光效 率在室温下，a 1 n 、g a n 和i n n 在垂直c 轴方向的晶格常数分别为3 1 1 2 a ，3 1 8 9 a 和3 5 4 5 a ， g a n 和a 1 n 之间的晶格失配度为2 5 ，而g a a s 和a l a s 的晶格失配度仅为0 1 6 这样，氮化 物在形成异质结构时，较薄的一层就会产生应变，并伴随有压电场的出现 1 0 1 2 另外，由 于纤锌矿结构不具有反演对称性，即使在没有外界压力引起的形变时，在晶体内部也会出现 自发极化，其大小随结构的变化由g a n 、i n n 到a 1 n 递增，方向与键的极性方向一致 许多作者对由应变引起的自发极化和压电极化做了有益的探索 1 3 1 6 b e r n a r d i n i 等 1 7 1 8 】用a bi n i t i o 方法计算了i i i v 族氮化物a 1 n ，g a n 和i n n 的自发极化和压电常数等物理量， 发现它们的压电常数比传统i i i v 和i i v i 族半导体大几十倍，而且自发极化也非常大晶体内 的总极化由压电极化和自发极化的总和构成，它们共同决定了异质结的内建电场的强度 f i o r e n t i n i 等 1 9 计算了i i i v 族氮化物多层量子阱中由宏观极化引起的内建电场的强度，结果 表明内建电场的强度很大，可以达到m v c m 的数量级，故它可对异质结的电子态产生极大的 影响，这会使体系的许多相关性质发生改变同时，由于晶格失配所引起的应变还会导致材 料的能带结构和声子频率的变化a m b a c h e r 等人 2 0 1 对g a n 基异质结构中的压电性质进行了 综述，并详细讨论了内建电场的计算方法实验方面的研究也同时验证了理论预言a d e l m a n n 等人 2 1 1 通过对实验结果的拟合，估计了g a n a i n 单量子阱中的内建电场的强度，并认为电场 强度的实验值与b e m a r d i n i 等人的理论结果相一致w a g n e r 等人 2 2 1 禾1 j 用赝势平面波法，研究了 单轴和双轴应变的族氮化物的原子结构、介电性质、晶格动力学和电子特性，并将线性响 应方法应用于密度泛函理论计算了介电常数、有效电荷和声子频率p a r k 等人 2 3 】考虑了自 发极化和压电极化的影响，从理论上研究t 0 0 1 和 1 1 0 取向的闪锌矿以及( 0 0 0 1 ) 轴生长的纤 锌矿g a n 材料的电子特性，给出闪锌矿结构的价带l u t t i n g e r - k o h n6 6 的哈密顿量，推导了闪 2 第。章绪论 锌矿和纤锌矿g a n 晶体的应变依赖的带边有效质量的解析表达式，并比较了二者的价带数值 计算结果g l e i z e 2 4 首次研究了极化场对于应变g a n a 1 n 层状材料中的晶格动力学的影响， 计算了自发极化和压电极化对于g a n a i n 超晶格中声子频率的影响 与纤锌矿结构相比，尽管闪锌矿结构的氮化物在生长过程中的不稳定，也不具有由品格 结构非理想性所引起的自发极化，但由于其较小的能带间隙、较高的饱和电子迁移率、高对 称性、低声子散射以及易于解理等优于纤锌矿材料的特点，也受到人们的广泛关注，在理论 和实验上，也有不少研究报道 2 5 3 0 19 8 6 年，m i z u t a 等人 31 】首次报道了在g a a s 0 01 衬底 上生长闪锌矿结构的g a n 晶体，为氮化物材料在器件上的应用奠定了基础1 9 9 2 年，p e t r o v 等人 3 2 】首次报道了在 0 0 1 取向的m g o 衬底上，利用超高真空磁控溅射沉积的方法成功合成 了亚稳态的闪锌矿a 1 n ，且厚度达到了1 2 n m 但由于厚度太小，其物理特性如晶格常数、带 隙等则很难正确测定此后，一些实验工作者逐渐提高闪锌矿a i n 的生长厚度2 0 0 1 年， t h o m p s o n 等人 3 3 1 禾j j 用分子束外延，成功地在 0 0 1 取向的s i 衬底上生长出1 0 0 n m 厚度的闪 锌矿结构的a i n 材料，并精确测定其带隙为5 3 4 e v 闪锌矿结构的生长一般沿着 0 0 1 方向， 如果极化轴的取向不同，其光电特性也有所不同 3 4 3 7 d u g g e n 等人 3 8 】考虑了压电极化和 晶格失配影响后，研究了不同的晶体生长方向对于三层闪锌矿量子阱结构中压电场的影响， 指出量子阱中的应变分量强烈依赖于晶体的生长方向，而且如果没有损耗，晶体的生长方向 也对共振频率有很大的影响由于闪锌矿的高对称性，在沿 0 0 1 方向生长的一维闪锌矿中， 压电效应并不影响应变同时，指出沿( 1 1 1 ) 方向非常特殊，只有纵波极化存在 声子是晶格振动中的简谐振子的能量子，晶格中的声子振动存在多种不同的模式，也就 是所谓的声子模对于极性半导体( 如g a a s 、g a n ) 而言，通常存在四类声子模式：横声学支 ( 1 a ) 、纵声学支( l a ) 、横光学支( t o ) 和纵光学支( l o ) 它对固体的热学、电学和光学等性质有 着重要的影响近年来，为了更好地研究低维受限材料中声子的振动模式，有人提出了一些 重要的声子模理论模型，主要有基于黄昆方程及静电连续边界条件的介电连续模型( d i e l e c t r i c c o n t i n u u m ) 3 9 - 4 1 ；基于广义黄昆方程和力学边界条件的流体力学模型( h y d r o d y n a m i c c o n t i n u u m ) 4 2 4 4 】；微观计算模型 4 5 4 6 1 以及黄朱( h z ) 模型 4 7 4 8 等由于族氮化物主要 为六角纤锌矿结构，而存在三支声学支和九支光学支由对称性可知，在布里渊区中心有六支 光学模：a 1 ，2 8 1 ，e l 和2 e 2 ，其中，只有两个光学支a 1 和e l 既是红外活性的又是拉曼活性的 族氮化物通常是一种单轴晶体，而单轴晶体是各向异性材料，由它构成的低维结构的光学 声子谱将出现更多的奇异特性 4 9 5 1 1 在纤锌矿晶体结构中，由于受到各向异性的影响，t o 内蒙古大学博士学位论文 声子和l o 声子将发生混合，其中的声子模式将不再是单纯的t o 模式或l o 模式，f r 6 h l i c h 电声子相互作用就变得相当复杂近年来，g a n 基异质结构中的光学声子态和电子声子作用 无论在理论还是实验上都引起了广泛的重视 5 2 5 9 氮化物体材料及其构成的异质结体系中 的声子模特性在实验上被广泛研究g l e i z e 等 5 3 】实验研究了六角g a n a 1 n 超晶格中的极化 声子的角分布，发现了色散的界面光学( i n t e r f a c eo p t i c a li o ) 声子模与准受限( q u a s i c o n f i n e d q c ) 声子模这一研究组还考察了g a n a 1 n 量子点与超晶格中的声子引起的非弹性拉曼光散 射特性 4 7 l i a n g 等人 5 5 】在i n n 材料中观察到的非平衡l o 声子，并证实了i n n 的带隙不 是先前广泛接受的1 8 9 e v ，而是0 8 e v 左右最近，d a r a k c h i e v a 及其合作者 5 6 采用远红外 谱与拉曼谱技术实验研究了应变a 1 n g a n 超晶格中的声子模行为，找到了受限声子模频率与 平面应变之间的依赖关系在理论上，对于g a n 基的异质结、量子阱与超晶格中的声子振动 特性的研究也相当活跃 5 7 6 5 基于宏观介电连续模型和l o u d o n s 单轴晶体模型，b c l e e 等人【6 0 在长波极限下求出纤维锌矿结构的体材料的电子一光学声子相互作用h a m i l t o n i a n 量， 并指出，由于纤锌矿晶体各向异性的特征，l o 与t o 声子将发生混合，且t o 型声子对电一 声散射也有较小的贡献该小组进一步推导了纤锌矿氮化物单异质结和双异质结中的 f r i s h l i c h 型电子一光学声子相互作用h a m i l t o n i a n 量以及各种声子模式的色散关系还指出， 在纤锌矿结构材料的异质结构中，除了存在界面模、受限模和半空间模之外，还存在由于晶 体的各向异性特征而产生的传播模 6 1 1 k o m i r e n k o 等人 6 2 】详细讨论了g a n a 1 n 与 a l o 1 5 g a 0 s s n g a n 纤锌矿结构量子阱中的界面模、受限模、半空间模和传播模的色散关系，指 出由于各向异性的缘故，纤维锌矿结构量子阱中的受限模不可能被完全局域在阱内，所以， 它应该被称为准受限模g l e i z e 等人【6 3 】利用极化矢量展开法探讨了各向异性效应对 g a n a i n 超晶格中的声子模色散特性的影响，他们指出在波矢为零的情况下，可能存在严格 的受限模s h i 等 5 8 ，6 0 ，6 5 】利用传递矩阵法，精确求解了g a n 基多层异质结中的p 极化声子 场的运动方程，证实有五种极化光学声子( 包括准受限模、界面模、传播模、半空间模与精确 受限模) 共存于纤锌矿低维异质结系统中，且进一步讨论了氮化物多层异质结中传播模与准受 限模的特性对于纤锌矿氮化物不同侧面的理论与实验研究均表明，由于纤锌矿氮化物材料 的各向异性，氮化物半导体受限体系的声子模与g a a s 基量子结构中的声子模有显著区别， 出现了一些新的声子模式，它们将对纤锌矿氮化物量子结构中的电子输运、发光等物理特性 产生重要影响 上世纪3 0 年代，l d l a n d a u 首次提出离子晶体中电子可以产生自陷状态的模型，人们就 对极化子的问题就展开了研究一般而言，极化子问题就是研究电子与声子特别是l o 声子 4 第章绪论 之间的相互作用，它对于解释离子晶体和极性半导体中的光跃迁过程和电子输运具有重要的 意义理论计算表明，极化子效应会降低电子的能量，增加电子的有效质量，从而影响体系 的性能在低维量子体系中，由于维度受限使极化子效应更为显著，对体系的物理性质产生 很大的影响 6 6 6 8 b a n 等人 6 9 7 1 曾对g a a s a i g a a s 异质结中的束缚极化子问题进行了较 为广泛的研究在不考虑声子受限的情况下，陈传誉等 7 2 】研究了外场作用下g a a s a 1 g a a s 量子阱中的束缚极化子计算了在不同的场强、阱宽以及杂质位置情况下束缚极化子的结合 能 近年来，由于氮化物材料被广泛应用在蓝色电致发光仪、紫外光检测及发射器等光电子 器件方面，因此，对g a n 基宽禁带半导体中电子、杂质态的极化子效应的研究也具有十分重 要的意义y a n 等人【7 3 】研究了纤锌矿氮化物半导体中中间耦合极化子的特性氮化物，由于此 类半导体的电声子耦合系数比砷化物材料大一个数量级，因此氮化物体系的极化子效应相当 显著最近的一些实验也表明，声子参与了氮化物量子阱结构中的杂质态和激子态的发光 7 4 8 0 ，为这些体系的低温光致发光谱赋予了新的物理内容理论方面也有许多相关的研究， m o r a r a m o s 等 8 1 8 3 分别用一级和二级微扰计算了纤维锌矿结构i i i 族氮化物体材料中的极 化子结合能和有效质量，并与实验结果进行了对照对于氮化物低维异质结中极化子效应的 也有一些相关的理论研究 8 4 8 7 1 ，如z h u 等人 8 5 】研究了g a n a i n 量子阱中由于1 0 光学声 子引起的极化子效应，详细讨论了界面极化子的结合能与有效质量l i u 等人 8 6 】则考虑氮化 物量子阱中i o 模的影响与强内建电场效应，理论计算了g a n a 1 n 单量子阱中的束缚极化子 的结合能最近，p o k a t i l o v 等人 8 8 】考虑了形变势与自旋轨道相互作用理论计算了应变纤锌 矿g a n a 1 g a n 量子阱中的激子态和光致发光谱，指出随着阱宽的增加，可以看到零声子态的 光致发光峰出现红移，光致发光的衰变时间是阱宽的函数，所得到的结论与实验定量符合的 很好 压力作为一种新型的物理手段，对了解材料的物理特性、改进器件性能方面有非常重要 的意义 8 9 9 0 压力效应在低维量子结构中的相关研究也是近年来研究的热点之一施加流 体静压力，可以使材料的结构发生改变，原子间距的改变使得相应的物理常数，如载流