GaN摻雜系統(tǒng)電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的理論研究.pdf

1、近幾十年來，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅速發(fā)展，以寬帶隙為主要特征的第三代半導(dǎo)體材料，如GaN、SiC、ZnO等顯示出了巨大的應(yīng)用價(jià)值。其中，GaN半導(dǎo)體材料具有帶隙寬、電子漂移速度快、耐高溫、耐高壓、抗輻射等優(yōu)點(diǎn)，在短波長(zhǎng)器件以及高功率微波器件的研制中受到了人們的高度重視。事實(shí)上，通常實(shí)驗(yàn)室制備的GaN薄膜材料是n型，由于存在本征缺陷（如N空位等），對(duì)施主摻雜產(chǎn)生高度補(bǔ)償作用，難以實(shí)現(xiàn)p型轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致很難制得氮化鎵p-n結(jié)結(jié)構(gòu)，極大地限制了GaN

2、光電器件的開發(fā)和應(yīng)用，因此GaN研究的一個(gè)重要問題就是p型轉(zhuǎn)變問題。此外，基于GaN的紫外線探測(cè)器工作在日盲區(qū)，日盲區(qū)紫外線的波長(zhǎng)范圍為220nm～280nm，而純GaN的帶隙只有3.3eV(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為376nm)，因而有必要制備帶隙更大的GaN薄膜材料。研究表明，在GaN晶體中摻入適量的Al可以增大系統(tǒng)的光學(xué)帶隙，其發(fā)射波長(zhǎng)覆蓋整個(gè)可見光區(qū)和部分紫外光區(qū)。
　　 基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬，對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)是

3、現(xiàn)代材料科學(xué)研究的重要方法。本文利用基于密度泛函理論的第一性原理方法對(duì)纖鋅礦和閃鋅礦GaN的摻雜問題進(jìn)行了理論研究。
　　 論文的主要內(nèi)容如下。
　　 (1)介紹了GaN的電子結(jié)構(gòu)、電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)，給出了GaN器件的應(yīng)用和相關(guān)摻雜問題的研究現(xiàn)狀，并簡(jiǎn)要介紹了本文的計(jì)算工具ABINIT軟件包及其理論基礎(chǔ)——密度泛函理論。
　　 (2)計(jì)算了閃鋅礦純GaN以及Al摻雜GaN的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)，得到了Ga1-xA

4、lxN系統(tǒng)的晶格常數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度、差分電荷密度和吸收譜。結(jié)果表明，純GaN為直接帶隙半導(dǎo)體材料，其價(jià)帶頂主要由N2p態(tài)決定，導(dǎo)帶底主要由Ga4s態(tài)決定。帶隙寬度主要由N2p態(tài)和Ga4s態(tài)決定。隨著Al摻雜濃度的增大，系統(tǒng)的晶格常數(shù)逐漸減小，符合Vegard’s定律，帶隙寬度增大，吸收光譜藍(lán)移。當(dāng)摻雜濃度x=0.5時(shí)，吸收邊在270nm左右，可以達(dá)到日盲區(qū)紫外線探測(cè)器的要求。計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)符合較好。
　　 (3)計(jì)算了纖