纖鋅礦GaN電子結(jié)構和光學特性的理論計算研究.pdf

1、Athesis(dissertation)submittedtoZhengzhouUniversityforthedegreeofMasterTheTheoreticalResearchontheElectronicStructureandOpticalPropertiesofWurtziteGaNByCaoZhangSupervisor：ProfRonghuiLuoOpticalEngineering一一一PhysicalEngine

2、eringSchoolMay2011摘要摘要隨著科學技術的發(fā)展，許多領域?qū)Π雽w材料性能的要求越來越高，于是出現(xiàn)了以GaN和SiC等一些二元、三元半導體化合物為代表的第三代半導體材料。其中IIIV族半導體材料GaN具有禁帶寬度大、擊穿場強高、電子漂移飽和速度高、熱導率高、硬度大和物理化學性能穩(wěn)定等優(yōu)點，成為制備短波長光電子器件和微電子器件等電子器件的最優(yōu)選半導體材料。室溫下，非故意摻雜生長的GaN都是n型的，由于存在高濃度背景電子載流子

3、，對受主摻雜具有高度補償作用，很難實現(xiàn)P型轉(zhuǎn)變，制備出高質(zhì)量的P11結(jié)，嚴重制約著GaN基光電器件的發(fā)展。長期以來，人們一直認為氮空位是GaNn型導電的主要原因，但是最近也有研究指出，氮空位的形成能太高，不是n型背景載流子的主要來源。借助于計算機技術，利用理論計算、數(shù)值模擬對材料的結(jié)構以及功能進行預測和設計，是當代材料科學研究的重要手段。本文利用第一性原理密度泛函理論(DFT)，借助CASTEP模塊對本征及各種摻雜纖鋅礦GaN系統(tǒng)進行理

4、論研究。主要內(nèi)容如下：1、介紹了纖鋅礦GaN的基本性質(zhì)、研究現(xiàn)狀以及相關器件的應用。詳細介紹了Materialsstudio44系列軟件中的CASTEP模塊及其理論基礎——密度泛函理論。2、計算了本征態(tài)纖鋅礦GaN的能帶結(jié)構、態(tài)密度和光學性質(zhì)。計算結(jié)果表明GaN是一種直接禁帶寬帶隙半導體材料，帶隙寬度為1661eV，比實驗值偏低，主要是廣義梯度近似過高地估計了Ga3d態(tài)的貢獻，但是并不影響對電子結(jié)構的分析。通過復介電函數(shù)和吸收系數(shù)光譜探

5、討了宏觀光學特性和微觀結(jié)構的關系。3、計算了GaN：VN和GaN：SiG。模型的能帶結(jié)構和態(tài)密度，計算結(jié)果表明氮空位是一種淺施主，但是對于n型GaN晶體，它的形成能高達3eV，并不是GaN晶體n型背景載流子的主要來源。SiG。也是一種淺施主，從形成能和實驗角度都可以判斷它是GaN晶體n型電導的主要來源之一。4、計算了Mg摻雜和MgO共摻雜GaN晶體的能帶結(jié)構和態(tài)密度。計算結(jié)果表明Mg摻雜GaN在價帶頂產(chǎn)生了受主能級，但是能級較深，空穴濃