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文檔簡介
1、本文基于第一性原理計算軟件CASTEP和電荷控制模型主要研究由典型鐵電材料BaTiO3、半導(dǎo)體材料GaN構(gòu)成的BaTiO3-GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu),在理論層次上對其電子結(jié)構(gòu)和二維電子氣(2DEG)特性進行探索性研究,為鐵電-半導(dǎo)體器件的研制提供理論參考。 首先,本文針對基態(tài)下BaTiO3(001)、(111),閃鋅礦結(jié)構(gòu)3C-GaN(001)、(110)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)2H-GaN(0001)、(000-1)表面,從能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度等方面進
2、行了詳細分析,其中BaTiO3(001)表面的TiO2終端因Ti原子懸掛鍵的存在,引入表面態(tài),其穩(wěn)定性下降。BaO終端表面經(jīng)弛豫后的禁帶寬度為1.761eV,與體結(jié)構(gòu)值1.804eV相近:而TiO2終端表面最后禁帶寬度僅為0.745eV,遠低于體結(jié)構(gòu)值。BaTiO3極性表面(111)的BaO3終端表面的穩(wěn)定性較好,弛豫前后禁帶寬度沒有明顯變化。GaN各種表面由于相結(jié)構(gòu)、終端原子、極化取向的不同,特性差異較大,其中3C-GaN(001)兩
3、種終端表面和2H-GaN(000-1)弛豫后都呈現(xiàn)出金屬特性,而3C-GaN(110)和2H-GaN(0001)表面弛豫后都表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性。另外,2H-GaN(0001)表面弛豫后形成了與石墨類似的層狀結(jié)構(gòu)。 其次,從界面原子結(jié)構(gòu)出發(fā)深入討論了BaTiO3/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子特性:對于BaTiO3(001)TiO2終端/3C-GaN(001)Ga終端形成的異質(zhì)結(jié)來說,BaTiO3層原子形成張應(yīng)變,立方BaTiO3結(jié)構(gòu)就趨于形
4、成四方鐵電相結(jié)構(gòu)。在界面處,Ti、Ga原子不能成鍵,Ga、O原子之間也不能成鍵。而在2H-GaN(0001)N終端面上外延生長BaTiO3(111)Ti終端,BaTiO3形成較小的壓應(yīng)變,但并不產(chǎn)生晶格畸變,且在導(dǎo)帶區(qū)域里有2.23eV的“贗帶隙”。Ti-3d、N-2p軌道之間存在著一定的弱雜化作用,可以成鍵。其兩種異質(zhì)結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)出金屬特性。 接著,基于第一性原理,建立了應(yīng)變、極化下異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料物理參數(shù)獲取方法。在上述方法基礎(chǔ)上
5、,就BaTiO3(111)與2H-GaN(0001)形成的異質(zhì)結(jié)而言,BaTiO3電子有效質(zhì)量mn*在GaN作用的雙軸應(yīng)變下減小42%;BaTiO3上的應(yīng)變GaN電子有效質(zhì)量減小10%。BaTiO3(111)/2H-GaN(0001)異質(zhì)結(jié)的價帶帶階△Ev約為0.77eV,導(dǎo)帶帶階△Ev約為0.47eV。鐵電BaTiO3/半導(dǎo)體GaN這種新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的獲取為本項目異質(zhì)結(jié)構(gòu)性能的準確預(yù)測提供了先決條件。 最后,在第一性原理
6、獲得異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合鐵電極化隨外加電場的依賴關(guān)系,利用電荷控制模型原理建立起鐵電/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)層間交換耦合物理模型。研究了三種典型鐵電/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)(鐵電/GaN、鐵電/AlGaN/GaN和AlGaN/GaN/鐵電)的二維電子氣2DEG特征。發(fā)現(xiàn)鐵電/GaN結(jié)構(gòu)較AlGaN/GaN更易形成增強型器件,大的鐵電極化可誘導(dǎo)產(chǎn)生極高濃度的二維載流子氣(2DCG)。鐵電/AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)中,正的鐵電極化使GaN溝道的2D
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