GaN基量子结构的非线性光学性质

宽禁带直接带隙氮化物半导体异质结构在当代半导体光电子学和电子学的研究中占有重要位置。实验和理论研究表明在其异质结构中存在高达几个MV/cm数量级的强内建电场。因此，GaN基量子结构对电子、空穴的空间受限作用和强内建电场引起的电子、空穴空间分离这一对相互矛盾的因素共同制约着基于GaN基量子结构的光电子器件的性能。在过去几年，人们对GaN基量子结构中的电子及光学性质进行了广泛研究，但对GaN基量子结构的双光子和多光子吸收及相关非线性光学性质的理论研究还相对较少。本课题主要从理论方面研究GaN基量子结构的双光子和多光子吸收及相关非线性光学性质，探讨量子结构对电子、空穴的空间受限作用和强内建电场引起的电子、空穴空间分离这一对相互矛盾的因素对 GaN基量子结构的非线性光吸收及相关光学性质的影响。期望通过本课题的研究加深对GaN基量子结构的非线性光学性质的理解，并能对相关物理实验提供理论依据。

申请人及项目团队成员自该项目在2009年9月立项以来，严格按照项目申请书的研究计划，并结合国内外对GaN基量子结构的最新实验结果，在有效质量近似下研究了GaN基量子结构中的电子态和非线性光学性质。经过项目组人员的共同努力，圆满地完成该项目的研究目标，解决了相关的科学问题，取得了超出预期的研究成果。其相关成果已在Applied Physics Letters, Journal of Applied Physics 等国际SCI源期刊上发表学术论文27篇。其主要成果表现在：首先运用电动力学理论，在一定的边界条件下推导出纤锌矿GaN基单量子阱，耦合量子阱及步阶量子阱等异质结构中垒层和阱层中内建电场的大小和方向，分析了GaN基量子结构的结构参数对由自发和压电极化引起的内建电场的影响。数值结果显示了当垒层厚度大于8nm时，垒层厚度对阱中的内建电场和电子态的影响是不明显的；对于耦合量子结构，结果显示了由于内建电场的影响，当两个量子结构之间的垒层厚度小于约3nm 时，耦合作用对电子态起着重要的作用。研究结果还显示了内建电场空间分离了量子结构中的电子和空穴态，激子效应减弱，振子强度、光吸收强度和有效带隙降低，光吸收的阈值发生红移，改变GaN基量子结构的光跃迁选择规律。同时给出了半导体量子结构中双光子吸收的理论推导、数值结果和物理意义分析。其结果显示了无论光极化的方向如何，电场均降低双光子吸收的强度和阈值，且双光子吸收的阈值均为有效带隙的一半。而且也显示了在受限较强的量子点中的双光子吸收光谱有着更明显的振荡，而在量子阱和量子线中，当电场沿着不受限方向时，非线性光谱有明显的振荡周期。上述部分理论成果和实验结果符合较好，解释了当前有关对GaN基量子阱和量子点中带间光跃迁和光学性质实验现象，也为相关物理研究和光电子器件的制备提供了理论的基础。. 通过该青年基金项目的研究，理解了GaN基量子结构中的结构参数对极化场和光学性质的影响规律，对GaN基量子结构在光电子学和器件应用领域存在的难点和重点问题有了更清楚的认识。通过该项目的研究，培养了8位优秀的硕士研究生，如参与项目的曾在平同学的毕业论文被评为2011年度河南省优秀硕士毕业论文且顺利进入希腊University of Patras攻读博士学位。同时该项目的研究也拓宽了项目团队成员的研究视野，积累了科研经验。