Ⅲ族氮化物三元混晶的電子結(jié)構(gòu)及光學(xué)性質(zhì)的第一性原理計(jì)算.pdf

1、III-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體材料因其在高速晶體管以及光電子器件領(lǐng)域潛在的應(yīng)用價(jià)值而受到廣泛的研究。III族氮化物是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，它具有優(yōu)良的熱學(xué)和機(jī)械性能。其混晶的禁帶寬度、晶格常數(shù)和介電常數(shù)等物理性質(zhì)，可通過(guò)改變混晶中各個(gè)元素的組分比而人為的改變，所以這些特點(diǎn)為生長(zhǎng)晶格匹配、禁帶寬度在一定范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)的量子阱、超晶格和半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)等人工晶體材料提供了可能。
　　本文采用基于密度泛函理論的第一性原理研究方法，計(jì)算了纖鋅礦結(jié)構(gòu)

2、的Al1-xGaxN、Al1-xInxN以及Ga1-xInxN的不同濃度的穩(wěn)固結(jié)構(gòu)、晶格結(jié)構(gòu)參數(shù)、電子態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)，并對(duì)其變化規(guī)律做出討論。我們首先對(duì)不同原子配比度x的三種混晶所有摻雜位置進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)比較結(jié)合能，我們找出了三種混晶在不同x值下的穩(wěn)定幾何結(jié)構(gòu)。計(jì)算和分析結(jié)果表明，由于Al1-xGaxN、Al1-xInxN和Ga1-xInxN的晶格結(jié)構(gòu)相同，三種混晶的穩(wěn)定替代位置也相同，我們的計(jì)算結(jié)果都是通過(guò)對(duì)三種混晶不同濃度的穩(wěn)定

3、替代位置計(jì)算得來(lái)。通過(guò)比較分析，我們得到以下結(jié)論：
　　（1）對(duì)Al1-xGaxN的計(jì)算和分析結(jié)果表明：隨著Ga原子的增加，Al1-xGaxN的晶格兼容性很好?；炀У膸峨SGa原子濃度的增大而不斷減小。在紫外光區(qū)的光反射能力、折射能力以及光吸收能力增大，并且吸收邊紅移。反射峰、吸收峰及折射峰都隨Ga原子濃度的增加有紅移趨勢(shì)。Al1-xGaxN的反射、吸收及折射圖在帶隙Eg處出現(xiàn)峰值，并且峰值隨Ga原子濃度的增大而增大。
　　

4、（2）對(duì)Al1-xInxN的計(jì)算和分析結(jié)果表明：Al1-xInxN的晶格常數(shù)隨In濃度的增大而不斷增大?；炀У膸峨SIn濃度的增大而減小?；炀У奈障禂?shù)、反射系數(shù)及折射率隨In濃度的增大而增大。吸收邊、吸收峰和反射峰紅移，峰值減小。Al1-xInxN的吸收、反射和折射率曲線在Eg處出現(xiàn)峰值行為，此處峰值大小隨In濃度的增加而增大。當(dāng)In濃度達(dá)到87.5％時(shí)，混晶Al1-xInxN的吸收、反射和折射能力均達(dá)到最強(qiáng)，表明此時(shí)的摻雜效果最好。

5、
　　（3）對(duì)Ga1-xInxN的計(jì)算和分析結(jié)果表明：混晶Ga1-xInxN的晶格常數(shù)隨In原子濃度的增大而增大，帶隙不斷減小。混晶Ga1-xInxN的光學(xué)性質(zhì)隨著In原子濃度的增大得到改善：混晶Ga1-xInxN在紫外光區(qū)的光反射、吸收及折射系數(shù)都隨In濃度的增大而增大；當(dāng)In濃度達(dá)到75%時(shí)，混晶在紫外光區(qū)的吸收、反射及折射能力均達(dá)到最大；由于In原子的摻入，使得混晶Ga1-xInxN在紫外光區(qū)的吸收系數(shù)得以覆蓋了整個(gè)紅外到紫

6、外光區(qū)；反射峰及吸收峰都隨In濃度的增大有紅移趨勢(shì)。結(jié)果表明，當(dāng)In濃度達(dá)到75%時(shí)混晶的光學(xué)性質(zhì)最好，此時(shí)的摻雜效果最好。
　?。?）通過(guò)對(duì)Al1-xGaxN、Al1-xInxN以及Ga1-xInxN的比較可知：Al1-xGaxN的晶格常數(shù)曲線最為平滑，晶格結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)定；相同替代濃度下Al1-xInxN的帶隙比Al1-xGaxN的帶隙小，但Al1-xGaxN帶隙的變化曲線比Al1-xInxN平滑。同樣的，同等濃度的Ga1-xIn

7、xN的帶隙比Al1-xInxN小的多，而Ga1-xInxN的帶隙變化曲線比Al1-xInxN平滑；摻雜后三種混晶的光學(xué)性質(zhì)得到改善。三種混晶的吸收邊都隨各自摻雜濃度的增大紅移，吸收能力明顯增強(qiáng)。其中混晶Al1-xInxN和Ga1-xInxN的吸收系數(shù)由于In原子的摻入而覆蓋了整個(gè)紅外到紫外光區(qū)。同等替換濃度下的吸收能力、反射能力以及折射能力，混晶Ga1-xInxN最強(qiáng)，Al1-xInxN次之，Al1-xGaxN最弱。其中，In濃度為75