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本文利用有效质量方法和变分原理,考虑内建电场和量子点的三维约束效应,研究了约束在GaN/AlxGa1-xN量子点中的激子态。详细讨论了激子态和量子点的结构参数以及势垒层中的Al含量之间的关系。结果表明:由自发极化和压电极化引起的内建电场导致量子点的有效带隙减小,电子、空穴产生明显分离,这对量子点的光学特性有重要影响;随Al含量的增加,GaN/AlxGa1-N异质界面处的导带不连续性增强,势垒变高,载流子受到的约束增强,激子结合能增加,电子-空穴的复合率先增大后减小,存在最大值;对给定体积的量子点,随高度的变化激子结合能存在最大值,相应的电子、空穴被最有效约束,激子态最稳定。为了获得有效的电子、空穴复合过程,量子点的高度应该小于5.5nm。
研究了InxGa1-xN/GaN量子点系统。由于极化效应而在InxGa1-xN量子点内产生的内建电场将使InGaN材料的能带发生弯曲、有效带隙减小。同时,电场使电子、空穴向相反的方向移动,使得电子和空穴的波函数在Z方向产生显著分离,电子被局域在量子点的顶部,而空穴被局域在量子点的底部。这些都将对量子点的光学性质产生重要影响。数值计算发现:对给定体积的InxGa1-xN/GaN量子点,激子结合能存在一最大值,此时电子、空穴被最有效的约束在量子点内。对不同体积的量子点,最大值的位置在量子点高度L=1.7nm附近取得。这一结果对量子点光电子器件的设计有一定的指导意义;由于自发极化和压电极化而引起的内建电场使电子、空穴产生明显的空间分离,激子结合能减小。在应用InxGa1-xN/GaN量子异质结时,内建电场是一个重要因素,必须加以考虑;量子点的结构参数和InxGa1-xN激活层中的In含量对激子结合能和光发射波长有重要影响。