纖鋅礦GaN電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)特性的理論計(jì)算研究.pdf

1、Athesis(dissertation)submittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofMasterTheTheoreticalResearchontheElectronicStructureandOpticalPropertiesofWurtziteGaNByCaoZhangSupervisor：ProfRonghuiLuoOpticalEngineering一一一PhysicalEngine

2、eringSchoolMay2011摘要摘要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，許多領(lǐng)域?qū)Π雽?dǎo)體材料性能的要求越來越高，于是出現(xiàn)了以GaN和SiC等一些二元、三元半導(dǎo)體化合物為代表的第三代半導(dǎo)體材料。其中IIIV族半導(dǎo)體材料GaN具有禁帶寬度大、擊穿場強(qiáng)高、電子漂移飽和速度高、熱導(dǎo)率高、硬度大和物理化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，成為制備短波長光電子器件和微電子器件等電子器件的最優(yōu)選半導(dǎo)體材料。室溫下，非故意摻雜生長的GaN都是n型的，由于存在高濃度背景電子載流子

3、，對(duì)受主摻雜具有高度補(bǔ)償作用，很難實(shí)現(xiàn)P型轉(zhuǎn)變，制備出高質(zhì)量的P11結(jié)，嚴(yán)重制約著GaN基光電器件的發(fā)展。長期以來，人們一直認(rèn)為氮空位是GaNn型導(dǎo)電的主要原因，但是最近也有研究指出，氮空位的形成能太高，不是n型背景載流子的主要來源。借助于計(jì)算機(jī)技術(shù)，利用理論計(jì)算、數(shù)值模擬對(duì)材料的結(jié)構(gòu)以及功能進(jìn)行預(yù)測和設(shè)計(jì)，是當(dāng)代材料科學(xué)研究的重要手段。本文利用第一性原理密度泛函理論(DFT)，借助CASTEP模塊對(duì)本征及各種摻雜纖鋅礦GaN系統(tǒng)進(jìn)行理

4、論研究。主要內(nèi)容如下：1、介紹了纖鋅礦GaN的基本性質(zhì)、研究現(xiàn)狀以及相關(guān)器件的應(yīng)用。詳細(xì)介紹了Materialsstudio44系列軟件中的CASTEP模塊及其理論基礎(chǔ)——密度泛函理論。2、計(jì)算了本征態(tài)纖鋅礦GaN的能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)。計(jì)算結(jié)果表明GaN是一種直接禁帶寬帶隙半導(dǎo)體材料，帶隙寬度為1661eV，比實(shí)驗(yàn)值偏低，主要是廣義梯度近似過高地估計(jì)了Ga3d態(tài)的貢獻(xiàn)，但是并不影響對(duì)電子結(jié)構(gòu)的分析。通過復(fù)介電函數(shù)和吸收系數(shù)光譜探

5、討了宏觀光學(xué)特性和微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系。3、計(jì)算了GaN：VN和GaN：SiG。模型的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度，計(jì)算結(jié)果表明氮空位是一種淺施主，但是對(duì)于n型GaN晶體，它的形成能高達(dá)3eV，并不是GaN晶體n型背景載流子的主要來源。SiG。也是一種淺施主，從形成能和實(shí)驗(yàn)角度都可以判斷它是GaN晶體n型電導(dǎo)的主要來源之一。4、計(jì)算了Mg摻雜和MgO共摻雜GaN晶體的能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度。計(jì)算結(jié)果表明Mg摻雜GaN在價(jià)帶頂產(chǎn)生了受主能級(jí)，但是能級(jí)較深，空穴濃