Ⅲ族氮化物GaN和AlN光電特性的理論研究.pdf

1、Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體被認(rèn)為是具有廣泛發(fā)展前景的短波光學(xué)電子器件材料，例如：AlN、GaN和InN等。這些半導(dǎo)體材料由于具有能隙寬、電子飽和速率高、導(dǎo)熱性能好以及物理和化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)良的內(nèi)在特性，因此適合于制作高速、高溫和大功率的電子器件。過去十年中，它引起了世界范圍的廣泛關(guān)注。
　　本文利用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理平面波贗勢方法對氮化鎵和氮化鋁在高壓下的彈性性質(zhì)、能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，計算分析

2、出的結(jié)果可以為GaN和AlN的設(shè)計與應(yīng)用提供理論依據(jù)。論文工作所取得的主要結(jié)論如下：
　　(1)我們采用第一性原理平面波贗勢方法研究了閃鋅礦型(ZB)和纖鋅礦型氮化鎵(WZ GaN)彈性、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)的外壓力效應(yīng)。計算的壓力范圍是從零到100 GPa。我們充分研究了ZB和WZ GaN的力學(xué)穩(wěn)定性，目前的計算結(jié)果分別滿足立方和六方結(jié)構(gòu)的力學(xué)穩(wěn)定性條件。計算結(jié)果表明：彈性常數(shù)、體模量、楊氏模量和能隙都具有明顯的外壓力效應(yīng)，計算結(jié)果與

3、實驗值和理論值相符合。通過對高壓下能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度的分析，我們發(fā)現(xiàn)能隙隨壓力的增大而變寬。同時在零到50 eV能量范圍內(nèi)分析了GaN的介電函數(shù)、折射率、反射率、吸收系數(shù)和能量損失函數(shù)等光學(xué)常數(shù)及其外壓力效應(yīng)。在計算氮化鎵的光學(xué)性質(zhì)時，為了獲得更加精確的結(jié)果，能隙進(jìn)行了1.72 eV的剪刀差修正。WZ GaN的光學(xué)性質(zhì)在(100)和(001)兩個極化方向上進(jìn)行計算。目前的結(jié)果表明GaN半導(dǎo)體材料具有良好的屏蔽紫外線輻射的性能。

4、　　(2)我們采用第一性原理平面波贗勢方法研究了閃鋅礦型(ZB)、纖鋅礦型(WZ)和巖鹽礦型(RS)氮化鋁(AlN)的彈性、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。對于ZB AlN，分析得出其彈性常數(shù)、體模量、楊氏模量和能隙都具有明顯的外壓力效應(yīng)，計算應(yīng)用的壓力范圍是0到70GPa，計算結(jié)果與實驗值和理論值符合的很好。通過對能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度的計算分析，發(fā)現(xiàn)AlN的能隙隨外壓力的增大而增寬。我們利用能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度分別在零到50和40 eV的能量范圍內(nèi)分