掺铝砷化镓光电特性的密度泛函理论研究

摘要

半导体材料技术是电子与微电子技术产业的核心，从20世纪开始，随着电子学和微电子技术的飞速发展，半导体材料技术也进步迅速。其中GaAs是备受关注的一种半导体材料，它的光电特性优越、应用也非常广泛。在半导体制造工艺迅速发展的同时，研究人员发现了一种改变材料特性的方法，用不同的掺杂方法对原材料进行不同杂质的掺杂，获得性能独特的半导体材料。 本文根据量子力学的第一性原理（First-Principles），利用密度泛函理论（DFT）计算方法，对Al替位掺杂GaAs材料（AlxGa1-xAs）的特性进行了研究，得到以下结果： （1）计算分析了Al组分分别为3.13%、6.25%、12.5%时对AlxGa1-xAs材料的电子结构和能带的影响，结果表明：掺杂Al后，引入杂质能级，使得Al掺杂砷化镓材料禁带宽度减小，Al组分为3.13%、6.25%及12.5%体系的禁带宽度分别0.63eV、0.68eV、0.73eV，且均小于本征GaAs的禁带宽度，但掺杂材料仍是直接带隙半导体。随着Al组分升高，能级杂化程度增大，Al组分影响增强，总态密度峰值线性减小。 （2）分析了Al组分分别为3.13%、6.25%、12.5%时对AlxGa1-xAs材料光学性质的影响，结果表明：Al掺杂后，体系的静态介电常数略大于本征GaAs的静态介电常数，且随着Al组分的增加，吸收系数增大，静态介电常数减小，折射率减小，能量损失函数的峰值减小，静态反射率波动较小。 （3）讨论了各Al组分不同掺杂位置对AlxGa1-xAs材料特性的影响，结果表明：Al组分为3.13%、掺杂位置为中心时，静态介电常数最大，吸收系数、折射率、反射率和消光系数发生蓝移现象，在表面位置掺杂时，能量损失谱发生明显的蓝移现象；Al组分为6.25%，Al原子间隔分布时，吸收系数、能量损失谱、反射率发生蓝移，能量损失谱的峰值最大；Al组分为12.5%，[010]晶向掺杂时，禁带宽度最大，且导带底没有杂质能级，禁带宽度是其他位置掺杂的2倍，复介电常数、吸收系数、折射率、消光系数发生蓝移现象，能量损失谱在高能量阶段发生明显的红移现象。

目录

声明

1 绪论

1.1前言

1.2研究背景及意义

1.3砷化镓的材料特性

1.3.1 晶体结构

1.3.2基本性质

1.4研究进展与现状

1.5选题根据与研究方案

1.5.1 选题依据

1.5.2 研究内容与结构安排

2研究理论及方法

2.1 材料计算与设计

2.2 First-Principles

2.3 Density Functional Theory

2.3.1 H-K定理

2.3.2 K-S方程

2.4 Materials Studio

2.5 Vienna Ab-initio Simulation Package

2.6 模型构建及计算方法

2.7 本章小结

3 Al组分不同对材料特性的影响

3.1 模型结构

3.2 电子结构

3.3 光学特性

3.3.1 复介电函数

3.3.2 吸收系数与折射率

3.3.3 反射率、能量损失谱和消光系数

3.4 本章结论

4 掺杂位置对材料特性的影响

4.1 Al组分为3.13%时不同掺杂位置的材料特性

4.1.1 模型结构

4.1.2 电子结构

4.1.3 光学性质

4.1.4 结论

4.2 Al组分为6.25%时不同掺杂位置的材料特性

4.2.1 模型结构

4.2.2 电子结构

4.2.3 光学性质

4.2.4 结论

4.3 Al组分为12.5%时不同掺杂位置的材料特性

4.3.1 模型结构

4.3.2 电子结构

4.3.3 光学性质

4.3.4 结论

4.4 不同组分，不同位置对Al掺杂GaAs特性的影响

4.4.1 电子结构

4.4.2 光学性质

4.5 本章总结

5 总结与展望

5.1本文研究工作总结

5.2展望

参考文献

攻读学位期间主要研究成果

致谢