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为了研发自旋电子学器件，人们对半导体中电子的自旋越来越关注，操作和控制半导体异质结和量子阱中电子的自旋引起了广泛的研究兴趣，导致了半导体自旋电子学器件的迅猛发展。如果体系同时具备时间反演和空间反演对称性，晶体中电子态将是双重兼并的。在晶体势不具备空间反演对称性的体系里，即使在零磁场下，自旋-轨道相互作用解除了电子态的自旋兼并。这将导致能带的自旋劈裂。近年来Ⅲ-Ⅴ族半导体异质结构的导带自旋劈裂引起了很多理论和实验工作者的注意。对体系自旋劈裂的贡献主要有两种机制，一种是由体反演不对称性导致的Dresselhaus项(BIA)，另一种是首先由Bychkov和Rashba提出的结构反演不对称性导致的Rashba项(SIA)。 早期的理论工作表明，在具有非对称势的体系里，Rashba自旋劈裂与异质结外部或者内建电场相关。对于沿c轴方向生长的纤锌矿Ⅲ族氮化物异质结或者量子阱，在异质结界面附近有很强的电场。这个内建电场是由异质结中的压电极化和自发极化导致的。此外，异质结界面处汇集了大量的电子，形成了高浓度的二维电子气，这将导致较高的费米能级。这样AlGaN/GaN异质结和量子阱结构中在费米能级处将有可观的自旋劈裂，尽管GaN和AlGaN都是宽带隙半导体。所以Ⅲ族氮化物材料可能适合用于自旋电子学器件。 本论文主要研究沿c轴生长的纤锌矿AlGaN/GaN异质结构中的自旋轨道耦合效应，同时考虑了Ⅲ族氮化物异质结构中的由压电极化和自发极化效应导致的内建电场，通过自恰求解薛定谔方程和泊松方程，确定导带边的形状，同时得出所有的束缚态能量以及相应的二维电子气的空间分布，对AlGaN/GaN异质结中的Rashba自旋劈裂和AlGaN/GaN/AlGaN量子阱中的自旋劈裂进行了系统深入的研究。研究的主要内容和获得的主要结果如下: (1)通过自恰求解薛定谔方程和泊松方程，得到沿c轴生长的AlGaN/GaN异质结导带底的形状，同时得出所有的子能带的带边能量以及相应子带的电子的空间分布。根据计算结果和其它实验文献，发现电子占据了前两个子带。得到前两个子带在费米能级处可观的Rashba自旋劈裂。 (2)计算了AlxGa1-xN/GaN异质结中的前两个子带在费米能级处的Rashba自旋劈裂随垒层的Al组分的变化关系。详细讨论影响Rashba自旋劈裂的各方面因素，发现异质结的阱层和界面对Rashba系数的贡献比垒层大的多。此外，与电子只占据第一子带相比，电子对第二子带的占据将导致第一子带的Rashba自旋劈裂较小。 (3)因为异质结沟道中的电场强度，以及二维电子气的分布受垒层厚度、垒层的掺杂浓度影响，本论文计算了Al0.5Ga0.5N/GaN异质结中的第一个子带在费米能级处的Rashba自旋劈裂随垒层厚度、垒层的掺杂浓度的关系。计算结果表明Al0.5Ga0.5N/GaN异质结中的Rashba自旋劈裂随垒层厚度、垒层的掺杂浓度的增加而增加。 (4)实验上AlGaN/GaN异质结中的自旋劈裂报道的数值范围是0.1到9 meV，这里计算的自旋劈裂的强度和其它的Ⅲ-V族材料基本在同一数量级。正如上面的描述，总自旋劈裂包括Dresselhaus和Rashba项共同的贡献，这里只考虑了Rashba项，因为它直接与内建电场相关。 (5)根据本文的计算，考虑到电子对前两个子带的占据以及它们的自旋劈裂，预计将有四个SdH振荡的周期。但是Rashba自旋劈裂，特别是第二子带的，可能不够明显，可能实验上不太容易观测到。所以预期，AlGaN/GaN异质结的Shubnikov-de Hass oscillation振荡中至少有两个周期。 (6)这些结果表明，高浓度的二维电子气以及由压电极化和自发极化导致的内建电场对AlxGa1-xN/GaN异质结中可观的Rashba自旋劈裂至关重要。Rashba自旋劈裂强度可以通过改变垒层的垒层厚度、垒层的掺杂浓度，特别是垒层的Al组分来调制。这些结果预期自旋电子学器件的设计有重要意义。 (7)通过自恰求解薛定谔方程和泊松方程，得到AlGaN/GaN/AlGaN量子阱导带边的形状，同时可以求出所有的束缚态，电子的分布，进而计算不同表面电子浓度的AlGaN/GaN/AlGaN量子阱的第一子带在费密波矢处的Rashba和总自旋劈裂。发现沿c轴生长的AlGaN/GaN/AlGaN量子阱中的第一子带在费米能级处有可观的自旋劈裂强度。仔细分析了不同表面电子浓度的AlGaN/GaN/AlGaN量子阱中的第一电子子带的自旋劈裂随所加栅压，阱宽，垒层的Al组分的变化关系。Rashba自旋劈裂随外加栅压的增加而增加，总自旋劈裂随外加栅压先增加然后减小。阱宽对自旋劈裂的影响不大，自旋劈裂大小能够被垒层的Al组分，栅压，表面电子浓度调制。 (8)仔细分析了影响自旋劈裂的因素，发现Ⅲ族氮化物异质结构中Dresselhaus项对总自旋劈裂的贡献远大于Rashba项，并且Dresselhaus项的大小很大程度上取决于表面载流子浓度。 (9)由压电极化和自发极化导致的内建电场对Ⅲ族氮化物异质结构的自旋劈裂至关重要。此外，这里计算的总自旋劈裂强度可以与其它的关于Ⅲ族氮化物异质结构的理论和实验结果相比。这些结果表明Ⅲ族氮化物可能应用到自旋电子学器件中。