[论文解读] Quantum-Confined Stark Effect in polar and nonpolar Wurtzite InN/GaN Heterostructures: Influence on Electronic Structure and Compensation by Coulomb Attraction

Stefan Barthel, K. Schuh+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2013

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 43被引用 11

一句话总结

本研究结合连续弹性理论与经验紧束缚模型，研究了沿极性（c面）和非极性（m面）方向生长的纤锌矿InN/GaN量子点中的量子限制斯塔克效应（QCSE），分析其电子结构与很多体效应。结果表明，在非极性量子点中，当电子-空穴相互作用强度达到临界值γ = 0.8时，库仑吸引可有效补偿本征极化场，从而增强电子-空穴波函数重叠并增强光学吸收；而在极性量子点中，需达到非物理上过强的相互作用强度（γ ≥ 1.5）才能实现补偿，限制了效率提升。

ABSTRACT

In this paper we systematically analyze the electronic structures of polar and nonpolar wurtzite-InN/GaN quantum dots and their modification due to the quantum-confined Stark effect caused by intrinsic fields. This is achieved by combining continuum elasticity theory with an empirical tight binding model to describe the elastic and single-particle electronic properties in these nitride systems. Based on these results, a many-body treatment is used to determine optical absorption spectra. The efficiency of optical transitions depends on the interplay between the Coulomb interaction and the quantum-confined Stark effect. We introduce an effective confinement potential which represents the electronic structure under the influence of the intrinsic polarization fields and calculate the needed strength of Coulomb interaction to diminish the separation of electrons and holes.

研究动机与目标

• 理解本征静电场对极性与非极性InN/GaN量子点中电子结构的影响。
• 研究电子与空穴之间的库仑相互作用如何抵消量子限制斯塔克效应（QCSE）。
• 确定电子-空穴吸引力的临界强度，以补偿QCSE引起的载流子分离。
• 在不同库仑相互作用强度下，比较极性与非极性量子点几何结构的光学吸收特性。
• 通过利用非极性取向与很多体效应，为设计更高效的氮化物基光电器件提供理论基础。

提出的方法

• 结合连续弹性理论与经验紧束缚模型，计算InN/GaN异质结构中的应变与电子性质。
• 采用单粒子有效限制势，包含几何结构、材料组分及本征静电场的影响。
• 应用全配置相互作用（FCI）方法求解包含库仑相互作用的一对电子-空穴的很多体问题。
• 引入无量纲相互作用强度参数γ以缩放库仑相互作用，并评估其对QCSE的补偿效果。
• 执行自洽计算，确定库仑吸引克服本征电场的临界γ值。
• 通过等值面图与洛伦兹展宽（10 meV）可视化波函数局域化与吸收光谱，以模拟热效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 量子限制斯塔克效应（QCSE）如何改变极性与非极性InN/GaN量子点的电子结构？
• RQ2 在这些体系中，库仑吸引在多大程度上可补偿本征静电场引起的载流子分离？
• RQ3 在极性与非极性量子点几何结构中，克服QCSE所需的库仑相互作用临界强度（γ）是多少？
• RQ4 在非极性与极性构型下，很多体效应如何影响电子与空穴波函数的空间重叠？
• RQ5 库仑相互作用对光学吸收光谱有何影响，特别是对峰值增强与能量位移的影响？

主要发现

• 在非极性InN/GaN量子点中，当库仑相互作用强度γ = 0.8时，即可有效补偿本征静电场，显著增强载流子波函数重叠。
• 相比之下，极性量子点中需达到非物理上过强的相互作用强度（γ ≥ 1.5）才能补偿QCSE，表明该几何结构中库仑相互作用的补偿效果有限。
• 非极性量子点中，很多体基态波函数因高空间重叠的激发单粒子态与基态混合而发生显著改变，形成一种新的、能量更有利的量子态。
• 非极性量子点的光学吸收因库仑相互作用而出现定量增强，而不仅限于能量位移，这与极性量子点中主要表现为能量位移的效应形成对比。
• 在非极性量子点中，较高激发态的电子-空穴对表现出向润湿层移动的趋势，且电子-空穴对的空间相关性更强，尤其在γ ≥ 0.8时更为显著。
• 非极性量子点的吸收光谱因电子-空穴重叠改善而表现出明显的峰值增强，其根源是偶极矩强度增加；而在极性量子点中，主要效应为因库仑束缚导致的微小能量位移。