In变组分对GaN基材料光学特性影响研究

发布时间：2020-05-09 18:11

【摘要】：在III族氮化物半导体中,氮化镓基材料由于具有可调的禁带宽度以及优异的光、电性能,使得其在光电器件和高温、高频、大功率器件中有广泛的应用。其发光过程主要取决于r点(k=0)处的能带结构,而由于纤锌矿结构氮化镓铟合金材料导带结构与价带结构分别是类S轨道以及主要形成于P轨道,因此其结构对光的方向性有一定的影响。由于第一性原理的计算研究能够在微观体系上对物理现象进行有效的解释和预测,因此本论文使用基于第一性原理的计算方法,主要对铟组分变化以及晶格结构变化对氮化镓基材料价带结构与光学特性产生的影响进行相关研究:使用Material Studio材料模拟计算软件,在氮化镓材料原胞基础上通过掺杂的方式建立纤锌矿InxGa1-xN材料超胞结构模型,其铟组分x含量分别为0、0.25、0.5、0.75、1;并使用VASP第一性原理计算软件包,分别计算分析不同In组分含量对纤锌矿氮化镓基材料价带结构、态密度以及光学基本性质产生的影响。研究结果表明:随着铟组分的逐渐增加,其价带结构发生改变使得禁带宽度逐渐减小,从而对电子的迁移及其内量子效率造成影响;材料的折射系数、吸收系数、反射系数以及能量损失系数均发生变化,使得紫外光的出光效率得到相应提升。因此在氮化镓铟材料中,通过对铟组分含量的调控,能有效的提高其出光效率。在纤锌矿InxGa1-xN材料中,由于其铟组分含量不同,对其晶格结构产生的畸程度也将不同,因此在其铟组分x含量分别为0、0.25、0.5、0.75、1基础上,计算并分析了不同组分含量中晶格结构变化对纤锌矿InxGa1-xN材料价带结构与光学性质产生的影响。研究结果表明:随着铟组份增加,晶格结构变化导致材料的CH子带发光占幅度先逐渐增加,后发生反转逐渐减小,而铟组份含量为0.75时,晶格结构变化对材料中CH子带发光占比变化影响的幅度相对减弱;随着材料中铟组分的变化,晶格结构变化使得基本光学性能发生改变,均有利于200-400nm波长光抽取效率的提高。其中在铟组份含量为0.75时,晶格结构变化对InxGa1-xN材料光学性能造成的影响最小。因此,可以通过对InxGa1-xN材料含中In的组分含量的控制,使用合适的组分与结构对不同波段光的出光效率进行调控,能够使得纤锌矿InxGa1-xN材料获得更高的出光效率。同时,为InxGa1-xN材料中In非均分布产生富In区局域态与减小量子阱中内建电场影响,从而为进一步提高光的出光效率提供了理论参考。
【图文】：

中晶体结构空间群为Ｐ６３ｍｃ，ＳＧ编号为１８６，晶格常数为ａ＝ｂ＝０．３１９７２ｎｍ，逡逑ｃ＝０．５２０７０ｎｍ，逦ｃ／ａ＝１．６２８，逦ａ＝ｐ＝９0°，逦丫＝１２０。［３４］，在２ａｘ２ｂｘ２ｃ进行扩展，逡逑获得包含３２个原子的ＧａＮ超原胞结构模型如图２－１所示，蓝色球和棕色球分别代逡逑表氮原子和镓原子。逡逑ｒｍ逡逑Ｔ＆ｔｉ逡逑ｎｎ逡逑图２－１纤锌矿结构ＧａＮ基材料超胞计算模型逡逑有研究表明，在掺杂过程中使用Ｉｎ原子替代Ｇａ原子的方式具有最低的形成能，逡逑在ＩｎＧａＮ材料中主要是使用Ｉｎ原子替代Ｇａ原子的形式存在。因此该研宄中使用的逡逑ＩｎｘＧａ＾Ｎ材料的模型是在纤锌矿ＧａＮ超胞模型的基础上采用替位的方式掺如Ｉｎ逡逑杂质建立的。掺杂方式是根据ＩｎＮ晶格结构的对称性与周期性规则，将部分均匀逡逑分布在位于晶格点处的Ｇａ原子用Ｉｎ原子取代。对掺入Ｉｎ组分的ｘ含量分别为０、０．２５、逡逑０．５、０．７５、１依次获得ＩｎＧａＮ材料混晶结构模型。其不同Ｉｎ组分下纤锌矿结构逡逑ＩｎｘＧａｉ－ｘＮ材料模型如图２－２所示，图中ａ、ｂ、ｃ、ｄ分别代表建立的Ｉｎ0．２５Ｇａａ７５Ｎ、逡逑Ｉｎａ５ＧａＱ５Ｎ、Ｉｎｏ．７５Ｇａｏ．２５Ｎ、ＩｎＮ超胞结构模型，其中蓝色球、黄色球和灰色球分别逡逑代表模型中所包含的氮原子、铟原子和镓原子。逡逑（ａ）ｒｎｒ邋（ｂ）Ｔｎｒ邋ＴＴ７逡逑N邋ｎｉｚ邋ｎｎ邋ｕｕ邋ｎｕ逡逑图２－２不

中晶体结构空间群为Ｐ６３ｍｃ，ＳＧ编号为１８６，晶格常数为ａ＝ｂ＝０．３１９７２ｎｍ，逡逑ｃ＝０．５２０７０ｎｍ，，逦ｃ／ａ＝１．６２８，逦ａ＝ｐ＝９0°，逦丫＝１２０。［３４］，在２ａｘ２ｂｘ２ｃ进行扩展，逡逑获得包含３２个原子的ＧａＮ超原胞结构模型如图２－１所示，蓝色球和棕色球分别代逡逑表氮原子和镓原子。逡逑ｒｍ逡逑Ｔ＆ｔｉ逡逑ｎｎ逡逑图２－１纤锌矿结构ＧａＮ基材料超胞计算模型逡逑有研究表明，在掺杂过程中使用Ｉｎ原子替代Ｇａ原子的方式具有最低的形成能，逡逑在ＩｎＧａＮ材料中主要是使用Ｉｎ原子替代Ｇａ原子的形式存在。因此该研宄中使用的逡逑ＩｎｘＧａ＾Ｎ材料的模型是在纤锌矿ＧａＮ超胞模型的基础上采用替位的方式掺如Ｉｎ逡逑杂质建立的。掺杂方式是根据ＩｎＮ晶格结构的对称性与周期性规则，将部分均匀逡逑分布在位于晶格点处的Ｇａ原子用Ｉｎ原子取代。对掺入Ｉｎ组分的ｘ含量分别为０、０．２５、逡逑０．５、０．７５、１依次获得ＩｎＧａＮ材料混晶结构模型。其不同Ｉｎ组分下纤锌矿结构逡逑ＩｎｘＧａｉ－ｘＮ材料模型如图２－２所示，图中ａ、ｂ、ｃ、ｄ分别代表建立的Ｉｎ0．２５Ｇａａ７５Ｎ、逡逑Ｉｎａ５ＧａＱ５Ｎ、Ｉｎｏ．７５Ｇａｏ．２５Ｎ、ＩｎＮ超胞结构模型，其中蓝色球、黄色球和灰色球分别逡逑代表模型中所包含的氮原子、铟原子和镓原子。逡逑（ａ）ｒｎｒ邋（ｂ）Ｔｎｒ邋ＴＴ７逡逑N邋ｎｉｚ邋ｎｎ邋ｕｕ邋ｎｕ逡逑图２－２不
【学位授予单位】：安徽工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304

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本文编号：2656530