三元混晶AlχGa1χ-As的电子能带结构和光学性质的第一性原理研究

摘要

随着半导体技术的飞速发展，以GaAs为代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体由于它在制造异质结构和可调式器件，以及光电设备等方面的应用，因此备受关注。近几年来，为优化和扩大半导体设备的应用，可以通过改变组分使其具有广泛性能的半导体三元混晶，比如AlxGa1-xAs已被广泛应用到像超晶格、钠米线、量子阱、量子线、量子点的纳米电子器件中。然而由于计算的复杂性，目前对三元混晶AlxGa1-xAs的电子带结构和光学性质只有少量组分的理论计算，为了全面理解光电特性与组分的依赖关系，在本文通过第一性原理方法进行了组分较全面的计算。
　　本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法，分三部分内容。首先计算了本征闪锌矿半导体GaAs结构的能带、态密度、介电函数，并采用LDA和GGA近似计算了声子谱，玻恩有效电荷和热力学性质。其次，为了充分理解三元混晶Alx Ga1-xAs的结构与光电特性，品格常数、带结构和介电函数与组分的依赖关系也进行了讨论，并且进行了公式拟合。最后，采用HSE方法对带隙进行了修正。
　　计算结果表明，闪锌矿GaAs是直接带隙半导体;在声子色散曲线图中，采用LDA计算的声子频率值比GGA结果高，我们计算的沿高对称点的声子频率结果与实验数据和其他理论值一致。晶格参数和介电函数都随组分变化呈线性增大，遵从维加德定律;而Γ点带隙随组分却是非线性的增大，弯曲系数是b=0.56。采用HSE方法，计算的带隙值提高，并接近实验值。从态密度图中可以发现，随着Al浓度的增加，Al-3s，3p态在导带部分移向高能处，这会导致带隙的增加和蓝移现象的出现。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 Ⅲ-Ⅴ化合物半导体概述

1．2 GaAs的主要性质及其应用

1．2．1 GaAs的晶体结构

1．2．2 GaAs的基本性质与应用

1．2．3 GaAs的制备方法

1．3 国内外研究现状

1．4 计算软件包简介

1．5 论文内容安排

第二章 计算方法与理论基础

2．1 第一性原理

2．2 密度泛函理论简述

2．2．1 DFT理论建立初期

2．2．2 Hohenherg-Kohn定理

2．2．3 Kohn-Sham方程

2．2．4 交换关联能

第三章 本征GaAs的电子能带结构和晶格振动特性的研究

3．1 模型建立与计算方法

3．1．1 理论模型

3．1．2 计算方法

3．2 计算结果与讨论

3．2．1 结构特性

3．2．2 电子能带结构与态密度分析

3．2．3 光学性质

3．2．4 晶格动力学性质

3．2．5 热力学性质

3．3 结论

第四章 三元混晶AlxGa1-xAs的晶格参数和光电性质的研究

4．1 理论模型和方法

4．2 计算结果与分析

4．2．1 Al掺杂GaAs体系对晶格参数的影响研究

4．2．2 AlxGa1-xAs混晶体系的电子能带结构

4．2．3 三元混晶AlxGa1-xAs体系的态密度和光学性质

4．3 结论

参考文献

致谢

作者攻读硕士学位期间发表和完成的学术论文