应变及压力调制下半导体多层异质结构材料中的电子态

本项目拟从理论上研究在流体静力学压力和界面晶格失配产生的应变调制下，半导体多层异质结构材料（主要为：三垒结构，双阱结构）中的杂质态和激子态的性质、电子在平行以及垂直界面方向的输运特性。考虑压力和应变对界面有限势垒、材料的介电常数、体光学声子和界面光学声子、能带及电子有效质量等物理参数的调制作用，讨论杂质态和激子态的性质及其电子（空穴）-各支光学声子（含三元混晶效应）相互作用的影响；在光学声子起主导作用温区，获得电子输运行为随载流子浓度、压力和应变的变化特性和各支光学声子（含三元混晶效应）的散射特征。探讨电场（含自发极化、压电极化效应导致的内建电场）、磁场对上述电子态的影响。解释和预言新物理现象，推动本领域的实验和理论发展，指导新材料的探索和器件研制。

本项目从理论上研究了在流体静力学压力和界面晶格失配产生的应变调制下，半导体多层异质结构材料（主要为：三垒结构，双阱结构）中杂质态和激子态的性质，电子在平行、垂直界面方向的输运特性及子带带间跃迁. . 主要采用介电连续和单轴晶体模型，探讨纤锌矿GaN/InGaN和GaN/AlGaN等多层材料中各类光学声子模和色散关系，给出声子模式和介电函数随频率和三元混晶组分的变化关系，得到混晶效应和界面应变等对电子-声子相互作用影响的结果. 采用二次多项式拟合近似AlGaN体横光学声子的结果显示：声子频率的单模或双模性对量子阱中光学声子的色散关系及静电势有重要影响. 采用变分法或数值求解法，获得GaN/AlGaN等多层材料中杂质态和激子态的性质及其电子（空穴）-各支光学声子相互作用的影响和三元混晶效应. 得到电场（含自发极化、压电极化效应导致的内建电场）下杂质态的Stark能移，其压力增强效应和激子态类型的变化. 对于非对称双量子阱的结果表明：强内建电场将导致激子失稳和施主杂质态结合能的突变. 在光学声子起主导作用温区，运用雷-丁平衡方程理论, 获得InGaN/GaN/AlN多层结构中电子平行界面的输运性质及其对纳米凹槽InGaN的依赖关系. 结果显示： 在一定条件下，有纳米凹槽影响的电子迁移率总大于无凹槽情形. 对于AlGaN /AlN/GaN的结果显示：适当调整AlN插入层的厚度和Al组分，可获得较高的电子迁移率. 对于低温下GaN/AlGaN非对称结构，主要由于界面声学声子的散射作用，可在Al组分某一范围内导致电子迁移率的突然增加. 对某一厚度的GaN隧道层，电子总迁移率可达到极大值. 采用连续介电模型和转移矩阵法，细致探讨AlGaAs/GaAs双势垒和耦合双量子阱结构中界面声子的色散关系及其与电子的耦合作用. 进而采用Fermi黄金法则，分别给出垒和阱为三元混晶材料时声子辅助隧穿的电流密度. 采用密度矩阵法，探讨AlGaN/InGaN/GaN非对称结构和ZnO/MgZnO量子阱等带间跃迁光吸收乃至声子辅助跃迁的影响, 给出吸收波长的三元混晶效应及对电场的依赖关系.. 研究结果为理解纤锌矿氮化物等多层结构中声子对电子行为的影响提供有实用价值的参考.对改善新光电子材料和器件如：高电子迁移率晶体管、半导体激光器等的性质.