應(yīng)變GaN與BaTiO3電子結(jié)構(gòu)和物理參數(shù)的第一性原理研究.pdf

1、GaN等Ⅲ族氮化物半導(dǎo)體作為下一代新型寬禁帶半導(dǎo)體在發(fā)光領(lǐng)域和高電子遷移率晶體管等方面得到廣泛的研究和應(yīng)用，而無(wú)論在異質(zhì)外延薄膜的制備還是異質(zhì)結(jié)器件的設(shè)計(jì)應(yīng)用過程中，存在的界面應(yīng)力對(duì)材料的基本性質(zhì)和器件性能都有不可忽視的影響。本文基于密度泛函理論的第一性原理方法模擬了應(yīng)變對(duì)鐵電材料BaTiO3和GaN、AlN、InN及其合金的電子結(jié)構(gòu)和物理參數(shù)的影響，以具體了解應(yīng)變下材料特性的變化，為進(jìn)一步的異質(zhì)結(jié)器件研究和設(shè)計(jì)提供必要的參考。

2、　　首先，由于GaN、AlN和InN彈性常數(shù)的實(shí)驗(yàn)值的分散性，具體計(jì)算獲得了其六方相和立方相結(jié)構(gòu)的彈性常數(shù)，建立了六方相GaN、AlN和InN在平面內(nèi)為雙軸應(yīng)變，而c軸完全弛豫的應(yīng)變模型，確定縱橫軸的應(yīng)變比分別為-0.49、-0.56和-0.78。進(jìn)一步由雙軸應(yīng)變模型的應(yīng)力非線性變化得知彈性常數(shù)不為恒值，并獲得了雙軸應(yīng)變下六方相GaN彈性常數(shù)的變化。
　　其次，對(duì)比考察了立方相和六方相GaN、AlN和InN的體電子結(jié)構(gòu)的相似性和差

3、異性，發(fā)現(xiàn)立方相AlN為非直接帶隙而其他均為直接帶隙，GaN和InN存在較強(qiáng)的s-p雜化軌道，而AlN中p-d雜化軌道起到支配作用。運(yùn)用建立應(yīng)變模型詳細(xì)分析六方相GaN、AlN和InN的電子結(jié)構(gòu)和電子有效質(zhì)量在弛豫和應(yīng)變下的差別，并縱向?qū)Ρ葢?yīng)變對(duì)不同材料影響的差異性，如由于InN的小禁帶寬度在大于1％的張應(yīng)變時(shí)電子有效質(zhì)量不再減小轉(zhuǎn)而迅速增大。由于Ⅲ族氮化物導(dǎo)帶底為非簡(jiǎn)并的能級(jí)，應(yīng)變僅改變能谷的曲度不會(huì)導(dǎo)致能級(jí)分裂，因此對(duì)電子有效質(zhì)量的

4、影響要小于Si。平面的單軸應(yīng)變改變了六方相結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，增大了電子結(jié)構(gòu)的各向異性。立方相BaTiO3（111）面可與六方相GaN構(gòu)成匹配較好的鐵電/GaN異質(zhì)結(jié)，而應(yīng)力將使得BaTiO3電子有效質(zhì)量迅速減小并出現(xiàn)自發(fā)極化。
　　然后，運(yùn)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的晶格常數(shù)和電子有效質(zhì)量，獲得的值可與其他的理論計(jì)算值很好的匹配，得出AlGaN合金性質(zhì)較好的遵循維加德定律，In離子的

5、差異使AlInN和InGaN合金性質(zhì)的線性偏離較大。合金在與GaN基板構(gòu)成的異質(zhì)結(jié)中，應(yīng)力將隨合金的組分而變化，因此應(yīng)力和組分綜合影響合金的電子有效質(zhì)量，使AlGaN合金的電子有效質(zhì)量線性減小，而在In含量較小的AlInN和InGaN合金中，應(yīng)力使InGaN合金電子有效質(zhì)量迅速增大，而AlInN合金則減小。
　　最后，在密度泛函理論框架下，應(yīng)用局域密度近似的密度泛函微擾方法考察了雙軸應(yīng)變對(duì)六方相 GaN的聲子結(jié)構(gòu)和介電常數(shù)的影響，