Ⅱ-Ⅵ族半导体异质结构中的激子及其压力效应.

Ⅱ-Ⅵ族半导体异质结构中的激子及其压力效应内容提要第一章绪论1.Ⅱ-Ⅵ族半导体异质结构材料的特点及研究意义2.国内外研究现状：主要成果3.未解问题第二章物理参数的压力（应变）依赖关系（略）第三章ZnSe/ZnCdSe量子阱中应变的压力调制效应1.直接禁带-间接禁带转变压力2.重空穴-轻空穴能带交叉压力第四章ZnCdSe/ZnSe量子阱中的激子及其压力效应1.压力导致的激子-LO声子耦合增强的可能性2.重空穴激子的压力系数3.体弹性模量对重空穴激子跃迁的影响第五章压力对第Ⅱ类异质结的界面激子的结合能的影响ZnSe/ZnTe异质结(ZnTe/CdSe异质结略）第一章绪论1。Ⅱ-Ⅵ族半导体异质结构材料的特点及研究意义同以GaAs为代表的Ⅲ-Ⅴ族半导体材料相比，以ZnSe和ZnO为代表的宽带Ⅱ-Ⅵ族半导体及其混晶具有带隙宽、直接带跃迁和能以任何比例组成混晶等优点，除此之外，Ⅱ-Ⅵ族半导体材料还具有较大的有效质量和较小的静态介电常数，具有较大的激子结合能，较小的激子半径，较小的抗磁能移，激子发光可延续到室温等特点，所以长期以来一直被认为是紫、蓝和绿色发光、激光以及在该波段响应的光学双稳和光学非线性应用的重要侯选材料。另外，由于目前GaAs是许多Ⅱ-Ⅵ族半导体外延生长的衬底，而ZnSe和GaAs的晶格失配仅为0.27%，非常适合集成光电子技术的需要。宽带Ⅱ-Ⅵ族半导体材料与激子性质有关的性质有：（1）Ⅱ-Ⅵ族材料多为强离子型晶体，载流子与LO声子场作用强烈，激子-LO声子耦合也较Ⅲ-Ⅴ族材料强烈—为研究电声子相互作用提供非常合适的材料（2）高度稳定的激子态—这个性质可用于制造光学双稳器件（3）Ⅱ-Ⅵ族半导体异质结构材料界面处存在较大双轴应变—可使价带顶退兼并2。国内外研究现状：主要成果ZnSe材料80年代末90年代初的两项重大突破：第一，ZnSe的p掺杂的实现；第二，p-ZnSe的低阻欧姆接触的实现。Ⅱ-Ⅵ族宽带半导体量子阱研究工作的主要进展：第一，获得了室温和连续工作的蓝/绿色半导体激光器；第二，获得室温和具有ns及ps量级响应的光双稳器件。在压力方面：第一，理论和实验均表明压力可使激子和施主结合能线性或亚线性地提高。第二，人们发现：对于单异质结结构，压力调制可以造成HH-LH的能级交叉。不同应变条件下的能带结构（图1.2.1）3。未解问题目前国际上对于Ⅱ-Ⅵ族宽带半导体异质结构材料的研究的注意力已经转向ZnO薄膜及其低维结构材料的研究和Ⅱ-Ⅵ族量子点材料的研究。但传统Ⅱ-Ⅵ族宽带半导体异质结构材料，如ZnSe基量子阱材料的研究仍然显示出蓬勃的生命力，仍需进一步深入的工作。比如：空穴能带弯曲问题。在压力方面：（1）双异质结（量子阱）压力调制效应的实现（2）ZnSe/ZnCdSe量子阱的光致发光强度随静压快速衰减实验现象的解释实验发现：ZnSe/ZnCdSe量子阱（x=0.18）在压力增加过程中光致发光的强度随压力增加而减弱得特别快，在3GPa左右样品的发光已被荧光背底完全淹没。可能的解释包括结构相变﹑类型Ⅰ-类型Ⅱ转变﹑Γ-X能带交叉﹑表面损伤﹑压力调制造成的HH-LH能带交叉等.表1.2.1ZnSe和GaAs结构相变压力和Γ-X能带交叉压力比较P=0闪锌矿，直接带隙P=Pc闪锌矿，间接带隙P=Psβ-Sn或NaCl结构（较低的压力）P=Pm半导体-金属相变GaAsPc=3GPaPs=17.2GPaPm=25GPaZnSePc=？（实验未明确，理论有争议）Ps=13.2GPaPm=16.5GPa对于GaAs，有以下关系PcPsPm，而对ZnSe，关系Pc?PsPm尚未确定。（3）压力对激子稳定性的影响（4）压力下物理参数的描述（5）光跃迁能量随压力变化关系实验发现，对于ZnSe/ZnCdSe量子阱结构激子光跃迁能量随压力线性变化，而对于ZnSe/ZnCdSe超晶格结构激子光跃迁能量随压力非线性变化。上述差别的关键可能在于超晶格和量子阱的体弹性模量不同。（6）重空穴激子的压力系数随阱宽变化关系本文力图解决上述问题中的（1）（2）（第三章）、（3）（5）（6）（第四章）、第Ⅱ类异质结空穴能带弯曲问题（第五章）。第三章ZnSe/ZnCdSe量子阱中应变的压力调制效应1。直接禁带-间接禁带转变压力方法：根据弹性理论得到体积形变；根据经验赝势法（EPM）算出常压下导带底能量；利用体积形变势算出压力P下带和X带带底能量表达式，其交叉点即Pc结果：对于体ZnSe我们得到Pc=19.4GPa(无内部应变)和Pc=20.4GPa(有内部应变)。对于三元混晶Zn1-xCdxSe(x0),我们的计算指出Pc随x增大而增大。这样对于ZnSe基的材料可得到PsPmPc的关系。它说明当我们研究激子发光的应变调制效应时，必须首先考虑结构相变。即保证PtPs，其中Pt是应变转型压力。2。HH-LH能带交叉压力02468101214-0.015-0.010-0.0050.0000.0050.0100.015x=0.15BiaxialstrainPressure(GPa)x=0.05x=0.10x=0.002468101214-0.06-0.04-0.020.000.020.040.060.08x=0.10E(eV)Pressure(GPa)x=0.15x=0.05x=0.00.000.050.100.150.202468101214tsPPPressure(GPa)x左(图3.2.1)：不同x下双轴应变随压力的变化右上(图3.2.2)：HH和LH跃迁能级的分裂随压力的变化右下(图3.2.3)：应变调制压力Pt（实线）和相变压力Ps（虚线）随x的变化第三章主要结论：为解释ZnSe/ZnCdSe量子阱（x=0.18）的光致发光强度随静压快速衰减的实验现象，从理论上研究了ZnSe/ZnCdSe单量子阱中压力导致的应变调制效应。主要结果有三：一是计算得到ZnSe材料的Γ-X交叉压力Pc并发现它满足PsPmPc（其中Ps为ZnSe的结构相变压力，Pm为半导体-金属相变压力）；二是证明这种量子阱的光致发光强度随静压快速衰减的实验现象不是应变转型(LH-HH交叉)造成的；三是说明这种应变转型可以在量子阱中实现，但前提是保持ZnSe/ZnCdSe的总层厚小于某个临界厚度并使镉浓度x0.17。我们还发现：镉浓度的微小改变会造成很大的调制压力的改变以及HH和LH能带的分裂。因此借助于增大x，有望观察到HH和LH激子PL峰的更明显分裂现象。第四章ZnCdSe/ZnSe量子阱中的激子及其压力效应4。1ZnCdSe/ZnSe量子阱中压力导致的激子-LO声子耦合增强的可能性（1）理论用变分法计算激子结合能。假定哈密顿中的参数如晶格常数﹑介电常数﹑有效质量﹑势垒高度等诸多物理量都是压力的函数，但哈密顿量与无压力时的形式完全相同。phexphexHHHH分别考虑压力造成的激子结合能增加和压力造成的光学声子频率的增加。（2）结果012345678303132333435012345678303132333435L=6.8nmExcitonExcitonLOphononL=6nmL=5nmL=7nmEnergies(meV)Pressure(GPa)1234567891027303336394212345678910273033363942L=6nmP=3.0GPaP=0GPaLOphononExcitonP=3.0GPaP=0GPaEnergies(meV)Wellwidth(nm)左图(图4.2.1)：不同阱宽下HH激子的基态结合能随压力的变化。虚线表示不同压力下的LO声子能量位置。实线是多项式拟合的结果。右图(图4.2.2)：P=3.0GPa和P=0GPa时HH激子的基态结合能随阱宽的变化。虚线分别表示P=3.0GPa和P=0GPa时LO声子能量位置。01234567831323334350123456783132333435edcbaL=6nmBindingEnergies(meV)Pressure(GPa)024681234024681234L=7nmL=6nmEnergyShift-E(meV)Pressure(GPa)左图(图4.2.3)：不同条件下激子结合能随压力的变化，a:ε,V,m*和a都随压力变化;b:仅保持V为常量;c:保持ε和V为常量;d:保持ε,V和m*为常量(仅a随压力变化);e:保持ΔE为常量(P=0时的值).右图(图4.2.4)：声子能移随压力的变化。4。1主要结论：用变分法计算了压力下Zn0.74Cd0.26SeQW中基态HH激子结合能并比较了在压力增加过程中HH激子结合能（Eb）与LO声子能量（ħLO）之变化程度。在计算中计入了电子-声子互作用的影响。结果显示，对于中等阱宽的量子阱，激子结合能和LO声子能量确实可以发生交叉，即发生由EbħLO到EbħLO的变化，造成激子和LO声子耦合增强。LOLOLO4。2ZnCdSe/ZnSe量子阱中重空穴激子的压力系数计算跃迁能量随压力的变化，并通过最小二乘拟合得，其中和β分别为一阶和二阶压力系数。2)0()(PPEPE01232.32.42.52.62.72.82.93.001232.32.42.52.62.72.82.93.01nm4nm8nm15nmEnergies(eV)Pressure(GPa)上图(图4.3.2)：不同阱宽的Zn0.74Cd0.26Se量子阱重空穴激子跃迁能量随压力的变化(T=300K)表4.3.2Zn0。74Cd0。26Se量子阱和超晶格的一阶和二阶压力系数(T=300K)W(nm)E(P=0)(eV)(meV/GPa)β(meV/GPa)超晶格实验值（文[20]）42.345367.1-1.26超晶格计算值（文[20]）470.9量子阱计算值（本文）42.501070.61-0.4288表4.3.3Zn0.82Cd0.18Se量子阱的一阶压力系数(T=80K)W(nm)E(P=0)(eV)(meV/GPa)20文[30]2.5655±0.001355.2±0.4本文2.55660.196文[30]2.5970±0.001255.6±0.3本文2.581160.263文[30]2.6489±0.001356.2±0.3本文2.631960.4536912151868.068.569.069.570.070.571.036912151868.068.569.069.570.070.571.0(meV/GPa)WellWidth(nm)36912151858.559.059.560.060.561.061.536912151858.559.059.560.060.561.061.5(meV/GPa)WellWidth(nm)左图(图4.3.3)：Zn0。74Cd0。26Se量子阱压力系数随阱宽的变化(T=300K).曲线为计算数据的多项式拟合。右图(图4.3.4)：Zn0。82Cd0。18Se量子阱压力系数随阱宽的变化(T=80K).曲线为计算数据的多项式拟合。4。2主要结论：考虑压力下势垒高度和激子结合能的改变等诸多因素对压力系数的影响，从理论上研究了ZnCdSe/ZnSe量子阱中重空穴激子基态的跃迁能量和压力系数。利用变分法计算了激子结合能并考虑了压力和电子-声子相互作用的影响。结果表明ZnCdSe/ZnSe量子阱重空穴激子的压力系数随阱宽增大而减小，该结论与实验结果完全吻合。计算表明采用SCPA近似计算禁带宽度等三元混晶参数可使跃迁能量的计算值与实验值更加符合。4。3体弹性模量对ZnCdSe/ZnSe量子阱中重空穴激子跃迁的影响利用变分法并考虑晶格常数、介电常数、有效质量特别是体积弹性模量等物理参量的压力效应给出激子的结合能。在此基础上计算激子跃迁的跃迁能量。为了化简计算，忽略了激子的极化子效应。0123456789152025303501234567891520253035L=20nmL=6nmL=3