应变GaN与BaTiO3电子结构和物理参数的第一性原理研究

摘要

GaN等Ⅲ族氮化物半导体作为下一代新型宽禁带半导体在发光领域和高电子迁移率晶体管等方面得到广泛的研究和应用，而无论在异质外延薄膜的制备还是异质结器件的设计应用过程中，存在的界面应力对材料的基本性质和器件性能都有不可忽视的影响。本文基于密度泛函理论的第一性原理方法模拟了应变对铁电材料BaTiO3和GaN、AlN、InN及其合金的电子结构和物理参数的影响，以具体了解应变下材料特性的变化，为进一步的异质结器件研究和设计提供必要的参考。
　　首先，由于GaN、AlN和InN弹性常数的实验值的分散性，具体计算获得了其六方相和立方相结构的弹性常数，建立了六方相GaN、AlN和InN在平面内为双轴应变，而c轴完全弛豫的应变模型，确定纵横轴的应变比分别为-0.49、-0.56和-0.78。进一步由双轴应变模型的应力非线性变化得知弹性常数不为恒值，并获得了双轴应变下六方相GaN弹性常数的变化。
　　其次，对比考察了立方相和六方相GaN、AlN和InN的体电子结构的相似性和差异性，发现立方相AlN为非直接带隙而其他均为直接带隙，GaN和InN存在较强的s-p杂化轨道，而AlN中p-d杂化轨道起到支配作用。运用建立应变模型详细分析六方相GaN、AlN和InN的电子结构和电子有效质量在弛豫和应变下的差别，并纵向对比应变对不同材料影响的差异性，如由于InN的小禁带宽度在大于1％的张应变时电子有效质量不再减小转而迅速增大。由于Ⅲ族氮化物导带底为非简并的能级，应变仅改变能谷的曲度不会导致能级分裂，因此对电子有效质量的影响要小于Si。平面的单轴应变改变了六方相结构的对称性，增大了电子结构的各向异性。立方相BaTiO3（111）面可与六方相GaN构成匹配较好的铁电/GaN异质结，而应力将使得BaTiO3电子有效质量迅速减小并出现自发极化。
　　然后，运用超晶胞方法研究了六方相Ⅲ族氮化物三元合金 AlGaN、AlInN和InGaN的晶格常数和电子有效质量，获得的值可与其他的理论计算值很好的匹配，得出AlGaN合金性质较好的遵循维加德定律，In离子的差异使AlInN和InGaN合金性质的线性偏离较大。合金在与GaN基板构成的异质结中，应力将随合金的组分而变化，因此应力和组分综合影响合金的电子有效质量，使AlGaN合金的电子有效质量线性减小，而在In含量较小的AlInN和InGaN合金中，应力使InGaN合金电子有效质量迅速增大，而AlInN合金则减小。
　　最后，在密度泛函理论框架下，应用局域密度近似的密度泛函微扰方法考察了双轴应变对六方相 GaN的声子结构和介电常数的影响，发现双轴应变主要使GaN声子能带结构产生平移，应变线性地减小了Γ点的LO、TO以及LO-TO声子能量，增大了GaN的波恩有效电荷、高频和静态介电常数，且对静态介电常数的影响最大。

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第一章 绪论

1.1Ⅲ族氮化物半导体材料的研究背景

1.2 GaN异质结的应力研究现状

1.3本文研究目的与主要内容

第二章 应变下的弹性性质

2.1密度泛函的应力理论简介

2.2 GaN、AlN和InN的弹性性质

2.3结果分析与讨论

2.4六方相Ⅲ族氮化物的晶格应变模型

2.5双轴应变下的弹性常数

2.6本章小结

第三章 应变GaN、AlN、InN和BaTiO3的电子结构和电子有效质量

3.1 GaN、AlN和InN的电子结构

3.2应变下六方相GaN、AlN和InN的电子结构和电子有效质量

3.3应变BaTiO3的电子有效质量

3.4本章小结

第四章 应变AlGaN、AlInN和InGaN的晶格常数和电子有效质量

4.1Ⅲ族氮化物三元合金的计算方法

4.2三元合金的晶格常数

4.3三元合金的电子有效质量

4.4应变三元合金的电子有效质量

4.5本章小结

第五章 应变GaN声子谱与介电常数

5.1引言

5.2计算方法

5.3结果分析与讨论

5.4本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果