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InGaN/GaN量子阱微腔中光子和激子的强相互作用研究

2020-12-02阅读(1108)

InGaN/GaN量子阱微腔中光子和激子的强相互作用研究

论文摘要

InGaN/GaN量子阱具有较高的量子效率、较大的激子结合能、可调节的发光波长、较高的辐射复合速率等诸多优势,因此被广泛应用于激光二极管、发光二极管、激子极化激元LED、激子极化激元激光器等领域。其中,InGaN/GaN量子阱中较大的极化电场,会对激子带间跃迁能会产生强烈的影响。而InGaN/GaN量子阱中较大的激子结合能保证了其室温下激子及其极化激元的形成。但是,在外延生长InGaN过程中由于InN和GaN互溶性低、容易产生In组分分布的不均匀,再加上InGaN量子阱宽的不均匀,由此产生的非均匀展宽是目前阻碍InGaN/GaN量子阱实现激子-光子强耦合的主要原因。本文围绕极化电场下InGaN/GaN量子阱中电子、激子和激子极化激元展开研究,主要工作内容包括:1.通过研究纤锌矿结构量子阱中的极化效应来确定其极化电场的大小,并建立三角能带模型;分析了该模型下各区域势能函数和波函数的形式,进一步利用行列式法求解量子阱中电子本征能量和波函数,该方法同样适用于无极化电场时的情况;研究了量子阱结构参数、In组分和外加偏压等对单量子阱和双量子阱中电子态、激子态的影响。结果表明:增大In组分,减小势阱层的宽度都能提高量子阱中电子基态能级。增大量子阱的对数、减小中间势垒层宽度会降低双量子阱中电子量子能级。随着阱宽的增大,激子结合能和激子振子强度总存在一个最大值,最大值受到In组分的影响。极化电场会极大的降低激子跃迁能,阱宽增大会导致激子跃迁能的减小。2.利用传输矩阵法计算光正入射时InGaN/GaN量子阱微腔结构的吸收谱,并从吸收谱中读取激子极化激元正交模式分裂特征;研究提高正交模式分裂值的方法以及非均匀展宽和均匀展宽对正交模式分裂值的影响机制。结果表明:增大耦合激子或光子密度（如增大量子阱对数、将量子阱放置在光场波腹处）和减短腔长都能提高正交模式分裂的值。存在一个最大非均匀展宽的值,超过这个值,我们将无法观测到正交模式分裂值。温度越高、激子振子强度越小,上述最大非均匀展宽的值越小。在低温情况下,还存在一个最优非均匀展宽的值,当非均匀展宽处于这个值时,正交模式分裂值最大。最优非均匀展宽的值对温度和激子振子强度有强烈的依赖关系。

论文目录

  • 摘要
  • abstract
  • 第一章 绪论
  •   1.1 引言
  •   1.2 Ⅲ族氮化物及其合金的基本结构和性质
  •     1.2.1 基本结构
  •     1.2.2 基本性质
  •     1.2.3 InGaN/GaN基量子阱特点
  •   1.3 激子极化激元的概念和发展现状
  •     1.3.1 激子
  •     1.3.2 激子极化激元
  •     1.3.3 激子极化激元的发展及应用
  •     1.3.4 GaN基激子极化激元的发展现状
  •     1.3.5 GaN基激子极化激元的特点
  •   1.4 本文的研究意义和主要内容
  •   参考文献
  • 第二章 理论计算方法
  •   2.1 引言
  •   2.2 量子阱中极化电场的计算
  •     2.2.1 量子阱材料的应变
  •     2.2.2 量子阱中的极化效应
  •     2.2.3 量子阱中的极化电场
  •   2.3 基于薛定谔方程的量子阱中能级和波函数的计算方法
  •     2.3.1 薛定谔方程
  •     2.3.2 平带模型下的量子能级
  •     2.3.3 三角模型下的量子能级
  •   2.4 量子阱中激子振子强度的计算
  •   2.5 激子极化激元上下支能量的计算方法
  •     2.5.1 传输矩阵法
  •     2.5.2 激子极化激元上下支能量的计算
  •   2.6 本章小结
  •   参考文献
  • 第三章 InGaN/GaN量子阱中电子和激子态的研究
  •   3.1 引言
  •   3.2 单量子阱中电子能级和波函数分布
  •     3.2.1 量子阱宽度的影响
  •     3.2.2 势阱中In组分的影响
  •     3.2.3 外加偏压的影响
  •   3.3 多量子阱中电子能级和波函数分布
  •     3.3.1 量子阱对数的影响
  •     3.3.2 势阱中In组分的影响
  •     3.3.3 势垒宽度的影响
  •   3.4 单量子阱中的激子态
  •     3.4.1 量子阱宽度对激子结合能及振子强度的影响
  •     3.4.2 In组分对激子结合能及振子强度的影响
  •   3.5 InGaN/GaN与其他量子阱材料中激子跃迁能量的对比
  •     3.5.1 GaN/AlGaN量子阱
  •     3.5.2 GaAs/AlGaAs量子阱
  •   3.6 本章小结
  •   参考文献
  • 第四章 InGaN/GaN量子阱中激子极化激元的研究
  •   4.1 引言
  •   4.2 量子阱结构参数对正交分裂模式值的影响
  •     4.2.1 量子阱对数的影响
  •     4.2.2 量子阱位置的影响
  •     4.2.3 量子阱宽度的影响
  •   4.3 腔长对正交分裂模式值的影响
  •   4.4 非均匀展宽的影响
  •   4.5 均匀展宽的影响
  •   4.6 本章小结
  •   参考文献
  • 第五章 总结与展望
  • 在学期间发表论文
  • 致谢

    • 文章来源

    类型: 硕士论文

    作者: 史晓玲

    导师: 张保平

    关键词: 量子阱,电子,激子,激子极化激元,正交模式分裂值

    来源: 厦门大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学,信息科技

    专业: 物理学,无线电电子学

    单位: 厦门大学

    分类号: O471.1

    总页数: 85

    文件大小: 5263K

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