全In组分可调InGaN的分子束外延生长

Ⅲ族氮化物InxGa1-xN合金为直接带隙半导体,其禁带宽度随着In组分变化从3.43 e V(Ga N)到0.64e V(In N)连续可调,波长范围覆盖了0.3–1.9μm,具有电子饱和速度高和光学吸收系数大等特点,是制备高效率全光谱太阳能电池和白光照明器件的理想材料.由于缺少合适的衬底,In N和InxGa1-xN薄膜通常生长在蓝宝石或Ga N模板上.本论文综述了采用MBE方法,在蓝宝石衬底和Ga N模板上生长了In N和全组分InxGa1-xN薄膜的生长行为和材料物理性质.利用MBE边界温度控制法在蓝宝石衬底上生长高室温电子迁移率的InN薄膜,利用温度控制外延法在Ga N/蓝宝石模板上制备了全组分InxGa1-xN薄膜.     

应变纤锌矿ZnSnN2/InxGa1-xN柱形量子点的光电转换效率

在有效质量近似下,通过变分法得到应变纤锌矿ZnSnN2/InxGa1-xN柱形量子点的带隙,进而利用细致平衡理论,研究了内建电场影响下柱形量子点的光电转换效率随量子点半径、高度和In组分的变化关系.结果表明:量子点的光电转换效率随着量子点半径、高度以及In组分的增加单调增加,并且内建电场会使得转换效率明显降低.     

衬底温度对In_xGa_（1-x）N薄膜结构特性的影响

本文采用MOCVD工艺,通过调整衬底温度（固定其它工艺参数）来沉积用于太阳电池的InxGa1-xN薄膜,并利用X射线衍射仪（XRD）、X射线荧光光谱仪（XRF）、扫描电子显微镜（SEM）和台阶仪来分析研究其结构特性.衬底温度较低时有利于薄膜的In注入,衬底温度较高时有利于沉积高结晶质量的InxGa1-xN薄膜.当衬底温度为470℃时,在硅衬底上所沉积的InxGa1-xN薄膜In含量较高,为46.92%;薄膜表面光滑致密,粗糙度小;颗粒较大,且颗粒大小均匀.     

内建电场对InGaN耦合量子点光学性质的影响

近年来,宽禁带直接带隙半导体异质结构InxGa1-xN／GaN由于在电子及光电子器件方面的应用而备受关注,如高亮度的兰、绿色发光二极管,激光二极管等．由于存在相分离,在InxGa1-xN／GaN异质结构InxGa1-xN激活层中会通过自组织形成纳米尺度的富In类量子点．这些富In类量子点可以看成是捕获电子     

衬底温度对InxGa1-xN薄膜结构特性的影响

本文采用MOCVD工艺,通过调整衬底温度(固定其它工艺参数)来沉积用于太阳电池的InxGa1-xN薄膜,并利用X射线衍射仪(XRD)、X射线荧光光谱仪(XRF)、扫描电子显微镜(SEM)和台阶仪来分析研究其结构特性.衬底温度较低时有利于薄膜的In注入,衬底温度较高时有利于沉积高结晶质量的InxGa1-xN薄膜.当衬底温度为470℃时,在硅衬底上所沉积的InxGa1-xN薄膜In含量较高,为46.92%;薄膜表面光滑致密,粗糙度小;颗粒较大,且颗粒大小均匀.     

基于反射光谱的InxGa1-xN半导体薄膜厚度测量

氮化镓薄膜是制造蓝紫光光电子器件的理想半导体材料之一。三元合金InGaN薄膜是优良的全光谱材料而且不同In组分的InGaN薄膜叠层可用于研制高效率薄膜太阳电池。精确测量InGaN薄膜的厚度有利于研制高效率的光伏器件。本文利用分光光度计实验研究了蓝宝石衬底金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术生长的铟镓氮（InGaN）半导体薄膜的反射光谱。基于薄膜干涉原理,计算分析了InxGa1-xN薄膜的厚度;结果发现利用反射光谱中不同波峰、波谷确定的薄膜厚度相对偏差度的平均值为4．42％。结果表明用反射光谱的方法测量InxGa1-xN薄膜的厚度是可行的。     

基于反射光谱的InxGa1-xN半导体薄膜厚度测量

氮化镓薄膜是制造蓝紫光光电子器件的理想半导体材料之一。三元合金InGaN薄膜是优良的全光谱材料而且不同In组分的InGaN薄膜叠层可用于研制高效率薄膜太阳电池。精确测量InGaN薄膜的厚度有利于研制高效率的光伏器件。本文利用分光光度计实验研究了蓝宝石衬底金属有机物化学气相沉积（MOCVD）技术生长的铟镓氮（InGaN）半导体薄膜的反射光谱。基于薄膜干涉原理,计算分析了InxGa1-xN薄膜的厚度;结果发现利用反射光谱中不同波峰、波谷确定的薄膜厚度相对偏差度的平均值为4．42％。结果表明用反射光谱的方法测量InxGa1-xN薄膜的厚度是可行的。     

应变对In_xGa_（1-x）As能带结构的影响

从理论上计算生长在GaAs衬底上的InxGa1-xAs合金材料的带隙变化,分析应变对其能带结构的影响。结果表明,InxGa1-xAs所受应变与In组分近似为线性关系;在应变的影响下材料带隙变大,价带能级产生分裂。利用合金组分的变化与InGaAs带隙的变化关系,可实现对材料带隙的调节,对器件的研究设计提供参考。     

三元氮化物纤锌矿结构混晶In_xGa_(1-x)N中的光学声子

采用修正的无轨离子位移模型研究三元氮化物纤锌矿混晶中的光学声子模.用微扰法对系统的弗留里希耦合常数、混晶的介电常数和谐振子强度进行计算和讨论.结果表明,纤锌矿结构InxGa1-xN中的光学声子能量等物理量随组份x出现明显非线性变化,In与Ga原子之间的相互作用对混晶的性质有显著的影响.     

InxGa1-xN/GaN量子点中的激子态

近年来,三元半导体合金InGaN由于在光电器件(高亮度的蓝、绿光发光二激管、激光二极管)上的应用而备受人们的关注．由于InN和GaN之间比较大的晶格失配导致在InxGa1-xN／GaN量子阱的InxGa1-xN激活层中自发形成一些纳米量级的富In类量子点．这些富In量子点就像三维陷阱一样,     

Ⅲ族氮化物量子点中类氢杂质态结合能

在有效质量近似下,运用变分方法,考虑内建电场（BEF）效应和量子点的三维约束效应,研究了纤锌矿结构的GaN／Al,Ga1-xN,InxGa1-xN／CaN柱形量子点中类氢杂质态结合能随量子点的结构参数（量子点高度L和量子点半径尺）、Al或In含量和类氢杂质位置的变化规律,并计算了考虑量子点内外电子有效质量不同后对杂质态结合能的修正．结果表明：类氢杂质位于量子点中心时,杂质态结合能随量子点高度、半径的增加先增大后减小,存在最大值．对GaN／Al;Ga1-xN量子点,随着Al含量的增加,杂质态结合能增大;杂质从量子点下界面沿z轴上移至上界面过程中,结合能存在最大值．对InxGa1-xN／GaN量子点,随着In含量的增加,结合能先缓慢增大后缓慢减小,存在最大值;杂质从量子点下界面沿z轴移至上界面过程中,杂质态结合能增大．量子点内外电子有效质量的失配使杂质态结合能增大。     

应变纤锌矿GaN/AlxGa1-xN柱形量子点中子带光吸收及其压力效应

在有效质量近似下,研究了应变纤锌矿GaN/AlxGa1-xN柱形量子点中基态与第一激发态波函数、能级和导带内的子带光吸收及其压力效应,数值计算了光吸收系数随量子点尺寸、组分和光照强度的变化,讨论了流体静压力对光吸收的影响.结果表明:随着量子点尺寸的减小和组分的增加子带跃迁吸收峰升高且发生蓝移;GaN/AlxGa1-xN量子点子带跃迁产生的吸收峰值会随流体静压力的减小而增加且发生红移.     

氮化物柱形量子点中离子施主束缚激子态波函数的研究

在有效质量近似和变分原理的基础上,选取三个不同的尝试波函数,研究了纤锌矿结构的InxGa1-xN/GaN柱形量子点中离子施主束缚激子（D＋,X）的束缚能随量子点高度L、In含量x及离子施主杂质位置z0的变化规律.计算结果表明：三个不同尝试波函数变分计算得到的束缚能随量子点高度L、In含量x及离子施主杂质位置z0的变化规律一致.但对比三个不同尝试波函数计算所得结果,依据变分原理可知,三参量尝试波函数优越.     

纤锌矿结构混晶AlxGa1-xN中的光学声子和极化子

由于声子和极化子对纤锌矿结构混晶和由其组成的量子阱的物理性质存在重要影响,采用赝原胞模型法计算纤锌矿结构混晶中Γ点的光学声子频率与组分x的关系,运用微扰的方法计算纤锌矿结构混晶中极化子有效质量mi*和能量迁移Ei随组分x的变化关系.计算结果表明:纤锌矿结构混晶AlxGa1-xN中的LO声子和TO声子均表现为单模行为,极化子的有效质量mi*和能量迁移Ei随x的变化呈线性变化.     

应变闪锌矿(001)取向GaN/AlGaN量子阱中受屏蔽激子的压力效应

采用变分法与自洽计算相结合的方法讨论了在电子-空穴气体屏蔽影响下应变闪锌矿(001)取向GaN/AlxGa1-xN量子阱中激子结合能的压力效应.结果表明,若考虑压力对双轴及单轴应变的调制以及禁带宽度、有效质量和介电常数等参数的影响,激子结合能随压力的增大近似线性增加.此外,由简化相干近似法讨论了垒材料AlxGa1-xN中铝组分对激子结合能的影响.结果表明,在固定的压力下当铝组分增加时激子结合能会逐渐增加;且压力较大时结合能随组分的增加更加显著.     

纤锌矿GaN/Alx Ga1-xN量子阱中界面声子模对极化子能量的影响

采用Lee-Low-Pines变分法研究了纤锌矿GaN/AlxGa1-xN量子阱中极化子能量和电子-声子相互作用对极化子能量的影响.理论计算中考虑了定域体声子模和界面声子模的作用,同时考虑了它们的各向异性.给出极化子基态能量、第1激发态能量、跃迁能量(第1激发态到基态),以及电子-声子相互作用对能量的贡献随量子阱宽度和深度(组分)变化的数值结果.为了定性分析和对比还给出了闪锌矿量子阱中的相对应结果.计算结果表明:阱宽较小时界面声子对极化子能量的贡献大于定域声子,阱宽较大时界面声子的贡献小于定域声子.纤锌矿结构中声子对能量的贡献大于闪锌矿结构中的相应值.GaN/AlxGa1-xN量子阱中声子对能量的贡献比GaAs/AlxGa1-xAs量子阱中的相应值大得多,当阱宽为20nm时,电子-声子相互作用能分别约等于-35,-2.5 meV.     

采用高分辨XRD确定AlxGa1-xN／GaN异质结的应变状态

利用高分辨X射线衍射方法,分析了采用金属有机物汽相沉积生长的AlxGa1-xN／GaN薄膜的晶体结构和应变状态。通过（002）和（105）面的倒易空间映射,分析获得AlxGa1-xN／GaN外延层的应变程度,并且计算了不同A1组分的AlxGa1-xN／GaN在倒易空间图上的弛豫方向;同时利用Vegard原理,推导了在双轴应变下A1组分的计算方程式,得出完全应变情况下A1组分为30％,与卢瑟福背散射实验结果比较符合。     

低维量子系统中电子态的数值解法

在有效质量近似下,讨论GaN基低维量子系统(包括量子线和量子点)中电子态的数值求解方法.首先,在无限深势阱近似时,由薛定谔方程解得量子线和量子点中单电子波函数的解析解,分别为贝塞尔函数和球贝塞尔函数,并获得本征能级的解析表达式;然后,通过有限元差分法,数值求解单电子的本征能级和本征态.对比发现,数值求解方法与解析解获得的电子波函数和本征能量在误差允许范围内相等.这说明有限元差分方法求解低维量子系统中电子态的可行性,并可进一步推广到有限高势有限厚垒结构中电子态的求解.最后,计算和讨论不同组分下纤锌矿InxGa1-xN/GaN核壳结构量子线和量子点中的电子态.     

类氢杂质对InxGa1-xN/GaN和GaN/AlxGa1-xN量子点中束缚激子态的影响

在考虑内建电场效应和量子点(QD)的三维约束效应的情况下,运用变分方法研究了类氢施主杂质的位置对Ⅲ族氮化物量子点中束缚激子态的影响.结果表明:当类氢施主杂质位于量子点中心,InxGa1-xN/GaN量子点的高度和In含量大于临界值时,约束在QD中激子的基态能降低,激子态的稳定性增强,在较高的温度下观察到半导体量子点吸收谱中的激子峰,发光波长增大.而类氢施主杂质总是使束缚在GaN/AlxGa1-xN量子点中激子的基态能降低,杂质可能使在更高温度下观察到GaN/AlxGa1-xN量子点中的激子,发光波长增大.研究发现类氢施主杂质位于量子点上界面时,激子的基态能最小,系统最稳定;随着施主杂质下移,激子基态能增加,激子的解离温度下降,发光波长减小.     

类氢杂质对In_xGa_（1-x）N/GaN和GaN/Al_xGa_（1-x）N量子点中束缚激子态的影响

在考虑内建电场效应和量子点（QD）的三维约束效应的情况下,运用变分方法研究了类氢施主杂质的位置对Ⅲ族氮化物量子点中束缚激子态的影响.结果表明：当类氢施主杂质位于量子点中心,InxGa1-xN/GaN量子点的高度和In含量大于临界值时,约束在QD中激子的基态能降低,激子态的稳定性增强,在较高的温度下观察到半导体量子点吸收谱中的激子峰,发光波长增大.而类氢施主杂质总是使束缚在GaN/AlxGa1-xN量子点中激子的基态能降低,杂质可能使在更高温度下观察到GaN/AlxGa1-xN量子点中的激子,发光波长增大.研究发现类氢施主杂质位于量子点上界面时,激子的基态能最小,系统最稳定;随着施主杂质下移,激子基态能增加,激子的解离温度下降,发光波长减小.