BaTiO-,3--GaN異質結的電子結構和二維電子氣特性研究.pdf

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、半導體材料GaN構成的BaTiO3-GaN異質結構，在理論層次上對其電子結構和二維電子氣(2DEG)特性進行探索性研究，為鐵電-半導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)，閃鋅礦結構3C-GaN(001)、(110)和纖鋅礦結構2H-GaN(0001)、(000-1)表面，從能帶結構、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終端表面經弛豫后的禁帶寬度為1.761eV，與體結構值1.804eV相近：而TiO2終端表面最后禁帶寬度僅為0.745eV，遠低于體結構值。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各種表面由于相結構、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構。 其次，從界面原子結構出發(fā)深入討論了BaTiO3/GaN異質結構的電子特性：對于BaTiO3(001)TiO2終端/3C-GaN(001)Ga終端形成的異質結來說，BaTiO3層原子形成張應變，立方BaTiO3結構就趨于形

4、成四方鐵電相結構。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形成較小的壓應變，但并不產生晶格畸變，且在導帶區(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。其兩種異質結構都呈現(xiàn)出金屬特性。 接著，基于第一性原理，建立了應變、極化下異質結構材料物理參數(shù)獲取方法。在上述方法基礎上

5、，就BaTiO3(111)與2H-GaN(0001)形成的異質結而言，BaTiO3電子有效質量mn*在GaN作用的雙軸應變下減小42％；BaTiO3上的應變GaN電子有效質量減小10％。BaTiO3(111)/2H-GaN(0001)異質結的價帶帶階△Ev約為0.77eV，導帶帶階△Ev約為0.47eV。鐵電BaTiO3/半導體GaN這種新型異質結構基本參數(shù)的獲取為本項目異質結構性能的準確預測提供了先決條件。 最后，在第一性原理

6、獲得異質結構材料參數(shù)的基礎上，結合鐵電極化隨外加電場的依賴關系，利用電荷控制模型原理建立起鐵電/半導體異質結構層間交換耦合物理模型。研究了三種典型鐵電/半導體異質結構(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結構較AlGaN/GaN更易形成增強型器件，大的鐵電極化可誘導產生極高濃度的二維載流子氣(2DCG)。鐵電/AlGaN/GaN結構中，正的鐵電極化使GaN溝道的2D