纤锌矿结构ZnO/Mg_xZn_(1-x)O量子阱中带间光吸收的尺寸效应和三元混晶效应

对于纤锌矿结构ZnO/MgxZn1-xO有限深单量子阱结构,考虑内建电场、导带弯曲及材料掺杂对实际异质结势的影响,利用有限差分法和自洽法数值求解Schr?dinger方程和Poisson方程,获得电子(空穴)的本征能级和本征波函数.进而,采用费米黄金法则讨论带间光吸收的尺寸效应和三元混晶效应.结果表明:三元混晶材料MgxZn1-xO中Mg组分的增加会增强垒层和阱层的内建电场强度,使得电子(空穴)平均位置靠近左(右)垒,导致带间跃迁吸收峰呈指数减小且发生蓝移;ZnO/MgxZn1-xO量子阱带间跃迁吸收峰随阱宽增大而减小,吸收峰发生红移.所得结果可为改善异质结构材料和器件的光电性能提供理论指导,以期获得实际应用所需的光学吸收频谱和波长.     

应变纤锌矿ZnO/Mg_xZn_(1-x)O柱形量子点中离子受主束缚激子的光学性质

在有效质量近似下,考虑内建电场效应,采用变分法详细研究了受限于纤锌矿Mg_xZn_(1-x)O/ZnO/Mg_xZn_(1-x)O圆柱形应变量子点中离子受主束缚激子(A~-,X)的带间光跃迁吸收系数随量子点尺寸、Mg含量和离子受主杂质中心位置的变化情况,并和离子施主束缚激子(D~+,X)及自由激子进行了比较.结果表明:随着量子点尺寸的减小,(A~-,X)的光跃迁吸收强度增强,吸收曲线向高能方向移动,出现蓝移现象.随着Mg含量增加,(A~-,X)的光跃迁吸收曲线蓝移,且吸收强度减弱.随着离子受主杂质从量子点的左界面沿材料生长方向移至量子点的右界面,光跃迁吸收曲线向低能方向移动,出现红移现象.此外,与离子施主束缚激子(D~+,X)相比,随着沿材料生长方向掺入杂质位置的变化,光跃迁吸收曲线移动的方向相反.但不管是掺入离子受主杂质还是离子施主杂质,当离子杂质从量子点的左异质界面沿材料生长方向移至右异质界面时,光跃迁吸收峰的移动量大致相同.     

纤锌矿MgxZn1-xO/Mg0.3Zn0.7O抛物量子阱中极化子能级

采用改进的Lee-Low-Pines(LLP)中间耦合方法研究纤锌矿Mg x Zn1-x O/Mg0.3Zn0.7O抛物量子阱材料中的极化子能级,给出极化子基态能量、跃迁能量(第一激发态到基态)和不同支长波光学声子对电子态能级的贡献随量子阱宽度d的变化规律。理论计算中考虑了纤锌矿Mg x Zn1-x O/Mg0.3Zn0.7O抛物量子阱材料中声子模的各向异性和介电常数、声子(类LO和类TO)频率等随空间坐标Z变化(SD)效应对极化子能量的影响。结果表明,Mg x Zn1-x O/Mg0.3Zn0.7O抛物量子阱中电子与长波光学声子相互作用对极化子能级的移动很大,使得极化子能量明显降低。阱宽较小时,半空间长波光学声子对极化子能量的贡献较大,而定域长波光学声子的贡献较小;阱宽较大时,情况则正好相反。在d的变化范围内,电子与长波光学声子相互作用对极化子能级的移动(约67~79 meV)比Al x Ga1-x As/Al0.3Ga0.7As抛物量子阱中的相应值(约1.8~3.2 meV)大得多。因此,讨论ZnO基量子阱中电子态问题时要考虑电子与长波光学声子的相互作用。     

极化子效应对非对称量子阱中光吸收系数的影响(英文)

从理论上研究子电子-声子相互作用对Morse量子阱中光吸收系数的影响,首先利用微扰论方法求出考虑极化子效应时的电子波函数和能级,然后利用密度矩阵和迭代法得到光吸收系数的解析表达式,最后以典型的GaAs/AlGaAs Morse量子阱为例进行数值计算。结果表明,极化子效应使光吸收系数比仅考虑电子的情况增大了,并且在相同光强的情况下吸收饱和现象更明显;极化子效应的影响随着阱的非对称性的增强而增大;电声相互作用对电子能级的修正导致光吸收系数峰值向高能方向偏移。     

电子-声子相互作用对正切平方量子阱中光吸收系数的影响

从理论上研究了电子-声子相互作用对正切平方量子阱中光吸收系数的影响,首先利用微扰论方法求出考虑极化子效应时正切平方量子阱的波函数和能级,然后利用密度矩阵算符理论和迭代法得到光吸收系数的解析表达式,最后以典型的GaAs/AlGaAs正切平方量子阱为例进行数值计算。结果表明,极化子效应对线性吸收系数、三阶非线性吸收系数和总吸收系数都有显著的影响,在相同光强的情况下极化子效应使光饱和吸收现象更加明显;考虑电声相互作用后,总吸收系数的改变量随着势阱宽度b的减小和势阱深度V0的增加而增大。     

直接带隙Ge耦合双量子阱中的光吸收系数

在有效质量近似下,详细研究了直接带隙Ge/GeSi耦合双量子阱中带间光跃迁吸收系数和阈值能量随量子阱结构参数的变化情况。结果表明：随着量子阱阱宽增大,带间光跃迁吸收强度会逐渐减弱,阈值能量减小,吸收曲线向低能方向移动,出现了红移现象。增强耦合量子阱间的耦合效应使得带间光吸收强度显著提升。此外,与非对称耦合量子阱相比,耦合效应对对称耦合量子阱中光吸收系数的影响更为显著。     

纤锌矿AlGaMAlN／GaN异质结构中光学声子散射影响的电子迁移率

对含有A1N插入层纤锌矿A1xGal-xN／A1N／GaN异质结构,考虑有限厚势垒和导带弯曲的实际异质结势,同时计入自发极化和压电极化效应产生的内建电场作用,采用数值自洽求解薛定谔方程和泊松方程,获得二维电子气（2DEG）中电子的本征态和本征能级．依据介电连续模型和Loudon单轴晶体模型,用转移矩阵法分析该体系中可能存在的光学声子模及三元混晶效应．进一步,在室温下计及各种可能存在的光学声子散射,推广雷．丁平衡方程方法,讨论2DEG分布及二维电子迁移率的尺寸效应和三元混晶效应．结果显示：A1N插入层厚度和A1xGal-xN势垒层中A1组分的增加均会增强GaN层中的内建电场强度,致使2DEG的分布更靠近异质结界面,使界面光学声子强于其他类型的光学声子对电子的散射作用而成为影响电子迁移率的主导因素．适当调整A1N插入层的厚度和A1组分,可获得较高的电子迁移率．     

直接带隙Ge耦合双量子阱中的光吸收系数

在有效质量近似下,详细研究了直接带隙Ge/Ge Si耦合双量子阱中带间光跃迁吸收系数和阈值能量随量子阱结构参数的变化情况.结果表明:随着量子阱阱宽增大,带间光跃迁吸收强度会逐渐减弱,阈值能量减小,吸收曲线向低能方向移动,出现了红移现象.增强耦合量子阱间的耦合效应使得带间光吸收强度显著提升.此外,与非对称耦合量子阱相比,耦合效应对对称耦合量子阱中光吸收系数的影响更为显著.     

应变纤锌矿ZnO/MgxZn1-xO盘形量子点中的离子施主束缚激子态

在有效质量近似下,计算了盘形量子点中离子施主束缚激子的结合能、光跃迁能、振子强度及辐射寿命.设盘形量子点由有限长的柱形ZnO材料组成,四周被Mgx Zn1xO包围,离子施主局域在盘轴.考虑了由于自发极化和压电极化引起的内建电场效应,并在有限深约束势下采用合适的变分波函数进行.计算结果表明,量子盘结构参数(盘高度及垒中Mg组分)和离子施主的位置对离子施主束缚激子的结合能、光跃迁能、振子强度及辐射寿命有强烈的影响.随着盘高度的增加,结合能、光跃迁能和振子强度减小,而辐射寿命增加.对含Mg量较高的盘形量子点,盘高度对结合能、光跃迁能、振子强度及辐射寿命的影响更显著.当施主杂质位于量子点的左界面附近时结合能(光跃迁能)有极大(极小)值,而当施主杂质位于量子点的右界面附近时结合能(光跃迁能)有极小(极大)值.     

微量Mg掺杂ZnO薄膜的光致发光光谱和带隙变化机理研究

利用射频磁控溅射(RF-MS)法在450℃玻璃基底上制备了Mg掺杂量分别为0.81at%,2.43at%和4.05at%的ZnO薄膜,对其微观结构、室温光致发光光谱(PL)、光学和电学性质进行了研究.结果发现,微量Mg掺杂ZnO薄膜晶体具有六方纤锌矿结构并保持高结晶质量;掺杂0.81at%和2.43at%Mg的ZnO薄膜室温PL谱中近带边发射(NBE)峰的短波方向出现了高能发射带与NBE峰同时存在;随着Mg掺杂量增加至4.05at%,这个高能发射带逐步将NBE峰掩盖.推测在Mg掺杂ZnO薄膜中,Mg2+替代Zn2+附近核外电子的能量增大并产生了一个高能级.而未被Mg2+替代的Zn2+周围的核外电子能量状态不变,带间能级依然存在,随着Mg掺杂量的增加处于高能级的电子数目逐步增加并占绝对优势.因此,ZnO薄膜随着Mg掺杂量增加薄膜禁带宽度增大,这是由于Mg掺杂后周围电子能量增大与Burstein-Moss效应共同作用的结果.另外,薄膜在可见光区域的平均透射率均大于85%,随着Mg掺杂量的增加,薄膜禁带宽度增大并在3.36—3.52eV内变化;Mg掺杂量为0.81at%,2.43at%和4.05at%时,薄膜电阻率分别为2.2×10-3,3.4×10-3和8.1×10-3Ω.cm.     

Influence of Mg Composition on Optical Properties of Exciton Confinement in Strained Wurtzite ZnO/MgxZn1-xO Cylindrical Quantum Dots

Based on the effective-mass approximation and variational approach, excitonic optical properties are investigated theoretically in strained wurtzite (WZ) ZnO/Mg_xZn_1-xO cylindrical quantum dots (QDs) for four different Mg compositions: x=0.08, 0.14, 0.25, and 0.33, with considering a three-dimensional carrier confinement in QDs and a strong built-in electric field effect due to the piezoelectricity and spontaneous polarization. The ground-state exciton binding energy, the interband emission wavelength, and the radiative lifetime as functions of the QD structural parameters (height and radius) are calculated in detail. The computations are performed in the case of finite band offset. Numerical results elucidate that Mg composition has a significant influence on the exciton states and optical properties of ZnO/Mg_xZn_1-xO QDs. The ground-state exciton binding energy increases with increasing Mg composition and the increment tendency is more prominent for small height QDs. As Mg composition increases, the interband emission wavelength has a blue-shift if the dot height L<3.5 nm, but the interband emission wavelength has a red-shift when L>3.5 nm. Furthermore, the radiative lifetime increases rapidly with increasing Mg composition if the dot height L>3 nm and the increment tendency is more prominent for large height QDs. The physical reason has been analyzed in depth.     

第一性原理的广义梯度近似+U方法的纤锌矿Zn1-xMgxO极化特性与Zn0.75Mg0.25O/ZnO 界面能带偏差研究

在纤锌矿结构Zn_1-xMg_xO/ZnO异质结构中发现了高迁移率的二维电子气(2DEG), 2DEG 的产生很可能是由于界面上存在不连续极化, 而且2DEG通常也被认为是由极化电荷产生的结果. 为了探索2DEG的形成机理及其产生的根源, 研究Zn_1-xMg_xO合金的极化特性与ZnO/Zn_1-xMg_xO超晶格的能带排列是非常必要的. 基于第一性原理广义梯度近似+U方法研究了Zn_1-xMg_xO合金的自发极化随Mg组分x的变化关系, 其中极化特性的计算采用Berry-phase方法. 由于ZnO与Zn_1-xMg_xO 面内晶格参数大小相当, ZnO 与Zn_1-xMg_xO 的界面匹配度优良, 所以ZnO/Zn_1-xMg_xO 超晶格模型较容易建立. 计算了Mg_0.25Zn_0.75O/ZnO超晶格静电势的面内平均及其沿着Z(0001)方向上的宏观平均. (5+3)Mg_0.25Zn_0.75O/ZnO超晶格拥有较大的尺寸, 确保远离界面的Mg_0.25Zn_0.75O与ZnO区域与块体计算情况一致. 除此之外, 基于宏观平均为能量参考, 计算得到Mg_0.25Zn_0.75O/ZnO超晶格界面处价带偏差为0.26 eV, 并且导带偏差与价带偏差的比值处于合理区间, 这与近来实验上报道的结果相符. 除了ZnO在[0001]方向上产生自发极化外, 由于在ZnO中引入Mg杂质会产生应变应力, 导致Mg_xZn_1-xO层产生额外的极化值. 这样必然会在Mg_0.25Zn_0.75O/Zn界面处产生非连续极化现象, 促使单极性电荷在界面处积累, 从而在Mg_0.25Zn_0.75O/Zn超晶格中产生内在电场. 此外, 计算了Mg_0.25Zn_0.75O/ZnO超晶格的能带排列, 由于价带偏差Δ E_V=0.26 eV与导带偏差ΔE_C=0.33 eV, 表明能带遵循I型排列. Mg_0.25Zn_0.75O/ZnO 的这种能带排列方式足以让电子与空穴在势阱中产生禁闭作用. 2DEG在电子学与光电子学领域都有重要应用, 本文的研究结果将对Mg_0.25Zn_0.75O/ZnO 界面2DEG的设计与优化中起到重要作用, 并且可以作为研究其他Mg组分的Mg_xZn_1-xO/ZnO超晶格界面电子气特性的参考依据.     

溶胶-凝胶法制备MgxZn1-xO薄膜的结构及光学特性

用溶胶-凝胶法制备了一系列的Mg_xZn_1-xO(0≤x≤0.3)薄膜,并用X射线衍射(XRD)和光致发光(PL)研究了不同的退火温度和Mg的掺杂含量对Mg_xZn_1-xO薄膜的结构和光学性质的影响.研究表明:Mg_xZn_1-xO薄膜为单相六角纤锌矿结构,并且具有沿c轴的择优取向;发现了中间热处理温度为350℃的Mg_xZn_1-xO薄膜退火温度的转折点为700℃,低于这个温度时随退火温度的升高,(002)衍射峰强度增强且掺Mg的薄膜既有紫外光又有绿光发射;800℃退火时,薄膜的(002)衍射峰强度减小,出现了(100)和(101)衍射峰,且掺Mg的薄膜只有紫外发光峰.不同的掺杂浓度对于发光也有影响,低于700℃退火时,ZnO薄膜只出现紫外发光峰,掺Mg的薄膜却出现了紫外和绿光两个发光峰.     

Intersubband transitions in an asymmetric double quantum well

The intersubband optical absorption in an asymmetric double quantum well for different barrier widths and the right well widths are theoretically calculated within the framework of effective mass approximation. The results obtained show that the intersubband transitions and the energy levels in an asymmetric double quantum well can be importantly modified and controlled by the barrier width and the well width. The sensitivity to the barrier and well widths of the absorption coefficient can be used in various optical semiconductor device applications.     

MgZnO薄膜及其量子阱和超晶格的发光特性

MgO和ZnO形成合金Mg_xZn_1-xO的带隙可以在3.3～7.9eV之间变化,在制备紫外波段光电器件方面有着广阔的应用前景.由ZnO和MgZnO交替沉积而成的ZnO/Mg_xZn_1-xO量子阱和超晶格在激光器、光探测器和其他光电器件方面也有潜在的应用价值.回顾最近几年对MgZnO薄膜材料发光特性的研究进展,介绍在不同衬底上用不同方法制备MgZnO合金薄膜的制备技术、发光特性以及发光特性与薄膜中Mg含量的关系;综述近年来在ZnO/Mg_xZn_1-xO超晶格、量子阱研究上的成果,特别介绍了ZnO/Mg_xZn_1-xO对超晶格、量子阱的发光特性、发光机理以及发光特性与势垒层镁含量、器件温度的关系.     

Effect of Si doping on GaN/AlN multiple-quantum-well structures for intersubband optoelectronics at telecommunication wavelengths

We present a study of the effect of Si doping localization on the optical and structural properties of GaN/AlN multiple-quantum-well structures for intersubband (ISB) absorption at 1.55 μm. Samples were either undoped or Si doped in different regions (barrier, quantum well (QW), middle of barrier or middle of QW). Structural characterization by atomic force microscopy and X-ray diffraction does not show significant differences in the crystalline quality. All doped samples present room-temperature p-polarized ISB absorption of about 1%–2% per pass, with a line width of 80–90 meV. In contrast, undoped samples present a weaker ISB absorption with a record line width of 40 meV. Both photoluminescence (PL) and ISB absorption display structured shapes whose main peaks correspond to monolayer fluctuations of the well thickness. The emission and absorption line widths depend on the Si doping concentration, but not on the Si location.     

MgxZn1-xO合金制备及MgZnO/ZnO异质结构的光学性质

利用射频等离子体辅助的分子束外延(P-MBE)技术在c面的蓝宝石衬底上生长了具有不同Mg含量(0≤x≤0.28)的六方相MgZnO合金薄膜,研究了该系列样品Raman频移的幅度与合金组分的对应关系,为MgZnO合金中Mg含量的确定提供了新的方法。在此基础上选择具有合适带宽的MgZnO合金作为垒层,制备了MgZnO/ZnO量子阱结构。在较高的光激发密度下,观测到了发光强度随激发密度的超线性增加,并将之归因于激子-激子碰撞引起的超辐射过程。     

ZnO单晶和BeZnO合金的生长及其紫外探测器研究

用分子束外延(MBE)的方法在c面蓝宝石衬底上生长出了高质量的ZnO单晶薄膜和BexZn1-xO合金薄膜。X射线光电子能谱(XPS)测试结果表明,合金材料中Be元素的摩尔分数分别为1.8%、4.9%、8.0%和15.3%。在此基础上制备了ZnO基和BexZn1-xO基的金属-半导体-金属(MSM)结构紫外探测器。ZnO单晶探测器的响应波长为375nm,在1V电压下,350nm处的光响应度高达43A/W,光电流和暗电流之比达到105量级。在BexZn1-xO基紫外探测器中,其截止响应波长随着合金中Be含量的增加逐渐蓝移,其中Be0.153-Zn0.847O合金探测器的截止响应波长为366nm,紫外波段和可见波段的光电流之比达到2~3个数量级,具有良好的信噪比。此外,提出了氧气等离子体表面处理降低探测器暗电流的方法,并使ZnO单晶探测器的暗电流降低了4个数量级。     

利用脉冲激光沉积法制备高Mg掺杂的六方相MgZnO薄膜

选用Mg0.2Zn0.8O陶瓷靶,利用脉冲激光沉积(PLD)法,在单晶Si(100)和石英衬底上生长了一系列MgZnO薄膜(MZO)。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、X射线能谱(EDS)和紫外可见光透射光谱(UV-Vis)等实验手段,研究了在不同工作压强下生长的薄膜样品的晶体结构、微观形貌和光学性能的变化。结果表明:所有的薄膜样品都是单一的ZnO六方相,禁带宽度随生长压强的升高而增加,变化范围在3.83～4.05eV之间,最短吸收边接近300nm。