Ⅲ族氮化物三元混晶的电子结构及光学性质的第一性原理计算

摘要

III-Ⅴ族化合物半导体材料因其在高速晶体管以及光电子器件领域潜在的应用价值而受到广泛的研究。III族氮化物是一种宽禁带半导体材料，它具有优良的热学和机械性能。其混晶的禁带宽度、晶格常数和介电常数等物理性质，可通过改变混晶中各个元素的组分比而人为的改变，所以这些特点为生长晶格匹配、禁带宽度在一定范围内可以调节的量子阱、超晶格和半导体异质结等人工晶体材料提供了可能。
　　本文采用基于密度泛函理论的第一性原理研究方法，计算了纤锌矿结构的Al1-xGaxN、Al1-xInxN以及Ga1-xInxN的不同浓度的稳固结构、晶格结构参数、电子态密度和光学性质，并对其变化规律做出讨论。我们首先对不同原子配比度x的三种混晶所有掺杂位置进行了计算，通过比较结合能，我们找出了三种混晶在不同x值下的稳定几何结构。计算和分析结果表明，由于Al1-xGaxN、Al1-xInxN和Ga1-xInxN的晶格结构相同，三种混晶的稳定替代位置也相同，我们的计算结果都是通过对三种混晶不同浓度的稳定替代位置计算得来。通过比较分析，我们得到以下结论：
　　（1）对Al1-xGaxN的计算和分析结果表明：随着Ga原子的增加，Al1-xGaxN的晶格兼容性很好。混晶的带隙随Ga原子浓度的增大而不断减小。在紫外光区的光反射能力、折射能力以及光吸收能力增大，并且吸收边红移。反射峰、吸收峰及折射峰都随Ga原子浓度的增加有红移趋势。Al1-xGaxN的反射、吸收及折射图在带隙Eg处出现峰值，并且峰值随Ga原子浓度的增大而增大。
　　（2）对Al1-xInxN的计算和分析结果表明：Al1-xInxN的晶格常数随In浓度的增大而不断增大。混晶的带隙随In浓度的增大而减小。混晶的吸收系数、反射系数及折射率随In浓度的增大而增大。吸收边、吸收峰和反射峰红移，峰值减小。Al1-xInxN的吸收、反射和折射率曲线在Eg处出现峰值行为，此处峰值大小随In浓度的增加而增大。当In浓度达到87.5％时，混晶Al1-xInxN的吸收、反射和折射能力均达到最强，表明此时的掺杂效果最好。
　　（3）对Ga1-xInxN的计算和分析结果表明：混晶Ga1-xInxN的晶格常数随In原子浓度的增大而增大，带隙不断减小。混晶Ga1-xInxN的光学性质随着In原子浓度的增大得到改善：混晶Ga1-xInxN在紫外光区的光反射、吸收及折射系数都随In浓度的增大而增大；当In浓度达到75%时，混晶在紫外光区的吸收、反射及折射能力均达到最大；由于In原子的掺入，使得混晶Ga1-xInxN在紫外光区的吸收系数得以覆盖了整个红外到紫外光区；反射峰及吸收峰都随In浓度的增大有红移趋势。结果表明，当In浓度达到75%时混晶的光学性质最好，此时的掺杂效果最好。
　　（4）通过对Al1-xGaxN、Al1-xInxN以及Ga1-xInxN的比较可知：Al1-xGaxN的晶格常数曲线最为平滑，晶格结构最为稳定；相同替代浓度下Al1-xInxN的带隙比Al1-xGaxN的带隙小，但Al1-xGaxN带隙的变化曲线比Al1-xInxN平滑。同样的，同等浓度的Ga1-xInxN的带隙比Al1-xInxN小的多，而Ga1-xInxN的带隙变化曲线比Al1-xInxN平滑；掺杂后三种混晶的光学性质得到改善。三种混晶的吸收边都随各自掺杂浓度的增大红移，吸收能力明显增强。其中混晶Al1-xInxN和Ga1-xInxN的吸收系数由于In原子的掺入而覆盖了整个红外到紫外光区。同等替换浓度下的吸收能力、反射能力以及折射能力，混晶Ga1-xInxN最强，Al1-xInxN次之，Al1-xGaxN最弱。其中，In浓度为75%的Ga1-xInxN在红外及可见光区的吸收、反射和折射能力最强，In浓度为87.5%的Al1-xInxN次之。

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1 绪 论

1.1 简介

1.2 理论研究现状

1.3 III族氮化物材料简介

1.4 III族氮化物的研究应用

1.5 本文的研究目的及内容

2 密度泛函理论及计算软件简介

2.1 引言

2.2 Hohenberg-Kohn定理

2.3 Kohn-Sham方程

2.4 局域密度近似(LDA)

2.5 广义梯度近似(GGA)

2.6 CASTEP软件简介

3 III族氮化物三元混晶的电子结构及光学性质研究

3.1 引言

3.2 计算方法

3.3 Al1-xGaxN三元混晶的计算结果与讨论

3.4 Al1-xInxN三元混晶的计算结果与讨论

3.5 Ga1-xInxN三元混晶的计算结果与讨论

4 三种混晶计算结果的比较与分析

4.1 Al1-xGaxN、Al1-xInxN及Ga1-xInxN晶格结构的比较与分析

4.2 Al1-xGaxN、Al1-xInxN及Ga1-xInxN电子结构的比较与分析

4.3 Al1-xGaxN、Al1-xInxN及Ga1-xInxN光学性质的比较与分析

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 主要结论

5.2 后继研究工作展望

致谢

参考文献

附录