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(shì)方法對(duì)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(jì)算分析

2、出的結(jié)果可以為GaN和AlN的設(shè)計(jì)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(shì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)算結(jié)果與

3、實(shí)驗(yàn)值和理論值相符合。通過對(duì)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(shí)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(jì)算氮化鎵的光學(xué)性質(zhì)時(shí)，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(gè)極化方向上進(jìn)行計(jì)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(shì)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(duì)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(jì)算應(yīng)用的壓力范圍是0到70GPa，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值和理論值符合的很好。通過對(duì)能帶結(jié)構(gòu)和電子態(tài)密度的計(jì)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