基于第一性原理研究钎锌矿氮化物及其合金中的声子输运

发布时间：2019-01-05 05:40

【摘要】：钎锌矿氮化铝(A1N)、氮化镓(GaN)、氮化铟(InN)及其合金被广泛应用在光电器件、太阳能电池和高频晶体管等设备中。在这些器件应用中,温度是影响性能、可靠性以及寿命的重要因素。材料的导热系数决定了它的导热能力,因此研究材料的导热系数是器件热管理的重要内容。尽管导热系数可以通过实验测量得到,然而由于实验样品生长质量的限制,对纤锌矿AIN、GaN、InN及其合金本征导热系数的认知仍然不足,特别是纤锌矿InN。在微观上,晶体热传导的载流子为声子,运动过程由声子玻尔兹曼方程描述。声子在输运过程中会受到散射,根据散射来源的不同主要分为晶格自身的本征散射和样品相关的散射。本征散射决定了晶格的本征导热系数,一直是研究的难点。最近,本征散射可以通过第一性原理计算准确得到。论文结合第一性原理计算和声子玻尔兹曼方程的求解,研究纤锌矿AlN、GaN、InN及其合金的导热系数以及尺寸效应。计算结果表明,室温时在纤锌矿晶格水平方向和垂直方向上,自然同位素下A1N的导热系数分别为301 Wm-1K-1和287Wm-1K-1,GaN的导热系数分别为244 Wm-1K-1和277Wm-1K-1,InN的导热系数分别为133Wmi1K-1和152Wm-1K-1。不同温度下导热系数的计算显示,纤锌矿AlN导热系数的各向异性很小,可视为各向同性材料,而纤锌矿GaN和InN导热系数具有不可忽略的各向异性,特别是在低温条件下。导热系数的各向异性与不同方向上声子速度的平方相关,通过计算平方速度对频率的分布发现导热系数的各向异性主要由低频声子贡献,并且主要来自高频横波声学支。导热系数对平均自由程的累积函数以及薄膜导热系数随厚度的变化都表明纤锌矿AlN、GaN和InN的尺寸效应可以持续到几十微米。基于第一性原理计算得到纤锌矿AlN、GaN和InN的相关参数以及虚拟晶格模型,研究了纤锌矿AlxGa1-xN、InxGa1-xN和InXAl1-xN导热系数随合金浓度的变化。发现即使很小浓度的合金就可以极大的减小导热系数。比如,在纤锌矿GaN中仅仅掺入1%的A1或者In原子后,导热系数减小60%。当合金浓度达到较高的0.2～0.8时,导热系数随合金浓度变化很小。室温下,沿着钎锌矿晶体水平方向和垂直方向,AlxGa1-xN的最小导热系数分别为18 Wm-1K-1和22Wm-1K-1,InxGa1-xN的最小导热系数分别为22 Wm-1K-1和27Wm-1K-1,InxAl1-xN的最小导热系数分别为8Wm-1K-1和10Wm-1K-1。各向异性大于各自的组分材料,这是由于合金对低频声子的抑制比高频声子小,使各向异性较大的低频声子的相对贡献增加所造成的。合金的尺寸效应同样可以持续到几十微米,并且当尺寸减小到100nm时,导热系数将减小一半。在声子玻尔兹曼方程的求解中,驰豫时间近似会低估导热系数,Callaway模型作为一种修正被广泛使用。但是,Callaway模型的准确性一直未被检验。以硅、金刚石和纤锌矿AlN为研究对象,完全基于第一性原理的计算结果检验了Callaway模型的准确性。计算结果表明,Callaway模型并不能保证对导热系数的准确预测。同时,通过对低频声子驰豫时间的计算发现,在这三种晶格中横波和纵波声学声子U散射的驰豫时间与频率的关系为1/ω3,而N散射过程则分别符合1/ω和1/ω2的关系。
[Abstract]:Wurtzite aluminum nitride (A1N), aluminum nitride (GaN), and aluminum nitride (InN) and its alloys are widely used in devices such as photovoltaic devices, solar cells and high-frequency transistors. In these device applications, temperature is an important factor affecting performance, reliability, and life. The thermal conductivity of the material determines its thermal conductivity, so the thermal conductivity of the material is an important part of the thermal management of the device. Although the thermal conductivity can be obtained by experimental measurement, the thermal conductivity of wurtzite AIN, GaN, InN and its alloys is still insufficient due to the limitation of the growth quality of the experimental samples, especially wurtzite InN. In the micro, the carrier of the crystal heat conduction is the sound, and the motion process is described by the acoustic subBoltzmann equation. The sound is scattered in the process of transport. According to the scattering sources, the scattering of the samples and the scattering of the samples are mainly divided into the lattice's own intrinsic scattering and the sample-related scattering. This sign-scattering determines the intrinsic thermal conductivity of the lattice and has been the difficult point of the study. Recently, this sign-scattering can be calculated accurately by the first principle. The thermal conductivity and dimensional effect of wurtzite AlN, GaN, InN and its alloys are studied in combination with the first principle calculation and the solution of the acoustic subBoltzmann equation. The results show that in the horizontal and vertical directions of wurtzite crystal lattice at room temperature, the thermal conductivity of A1N in natural isotopes is 301 Wm-1K-1 and 287Wm-1K-1, respectively. The thermal conductivity of GaN is 244 Wm-1K-1 and 277Wm-1K-1 respectively. The thermal conductivity of InN is 133Wmi1K-1 and 152Wm-1K-1, respectively. The calculation of the thermal conductivity at different temperatures shows that the anisotropy of the wurtzite AlN thermal conductivity is very small and can be regarded as an isotropic material, while the wurtzite GaN and the InN thermal conductivity have non-negligible anisotropy, especially at low temperature conditions. The anisotropy of the thermal conductivity coefficient is related to the square of the sound sub-velocity in different directions, and the anisotropy of the thermal conductivity coefficient is found to be mainly contributed by the low-frequency sound and mainly from the high-frequency transverse wave acoustic branch by calculating the distribution of the square velocity to the frequency. The cumulative function of the coefficient of thermal conductivity on the mean free path and the change of the thermal conductivity of the film with the thickness indicate that the size effect of wurtzite AlN, GaN and InN can last to several tens of microns. Based on the first principle, the related parameters and the virtual lattice model of wurtzite AlN, GaN and InN are calculated, and the changes of the thermal conductivity of wurtzite AlxGa1-xN, InxGa1-xN and InXAl1-xN with the alloy concentration are studied. it has been found that even a very small concentration of the alloy can greatly reduce the thermal conductivity. For example, after only 1% of Al or In atoms are doped in wurtzite GaN, the thermal conductivity is reduced by 60%. When the concentration of the alloy reaches a value of 0.2 to 0.8, the thermal conductivity is very small with the change of the alloy concentration. At room temperature, the minimum thermal conductivity of AlxGa1-xN is 18 Wm-1K-1 and 22Wm-1K-1, respectively, and the minimum thermal conductivity of InxGa1-xN is 22Wm-1K-1 and 27Wm-1K-1, respectively. The minimum thermal conductivity of InxGa1-xN is 8Wm-1K-1 and 10Wm-1K-1, respectively. the anisotropy is greater than the respective component material, which is due to the fact that the suppression of the low-frequency sound sub-band by the alloy is smaller than the high-frequency sound, resulting in an increase in the relative contribution of the anisotropic larger low-frequency sound. the size effect of the alloy can likewise continue to several tens of microns and the thermal conductivity will be reduced by half when the size is reduced to 100 nm. In the solution of the acoustic-son Boltzmann equation, the relaxation time approximation will underestimate the thermal conductivity, and the Callaway model is widely used as a modification. However, the accuracy of the Callaway model has not been tested. Based on the results of the first principle, the accuracy of the Callaway model is verified by using silicon, diamond and wurtzite AlN as the research object. The results show that the Callaway model can not guarantee the accurate prediction of the thermal conductivity. At the same time, through the calculation of the low-frequency sound sub-relaxation time, the relationship between the relaxation time and the frequency of the S-wave and the longitudinal-wave acoustic subU-scattering in the three lattices is 1/ 1/ 3, and the N-scattering process is in accordance with the relationship of 1/ 1 and 1/ 2.
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：O469

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本文编号：2401352