(Al)GaN半导体材料掺杂的理论计算
发布时间：2021-04-02 08:28
Ⅲ族氮化物材料是目前半导体领域的研究重点,氮化镓（GaN）和氮化铝（AlN）及相关的多元合金等氮化物具有直接带隙,较高的光电转换能力,较高的电子饱和速率和热导率、化学性质稳定和抗辐照能力强等特性,在大功率、高频、耐高温半导体器件领域取得了突破性进展。氮化物中存在的杂质缺陷往往对材料乃至器件的性能有决定性的影响。施主或受主杂质的微量掺杂会使材料表现n型或p型,并对器件的性能产生重大影响。因此,对掺杂的研究对提升材料和器件性能以及研究其失效机理具有至关重要的作用。随着算法的发展和计算机功率的增加,采用第一性原理方法能够模拟更大更复杂的微观体系性质,同时准确性也达到前所未有的水平,基于密度泛函理论的第一性原理方法成为半导体材料和器件的研究的有力工具,能提供了有关材料原子结构的详细信息。本文基于密度泛函理论,围绕（Al）GaN半导体材料,开展如下工作:1)氮化镓（GaN）和氮化铝（AlN）掺杂性质的理论计算研究。首先对GaN和AlN基本性质进行计算,分析GaN和AlN电子结构的异同点。由于氮化物材料生长过程中常常表现出无意的n型电导率,本征缺陷起到非常大的作用,这也是p型掺杂困难的原因,因此需...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：101 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１各电磁波波段紫外光ＬＥＤ器件的不同领域中的应用??美国圣地亚哥国家实验室的Ｈａｎ小组于１９９８年研制出世界上第一支??
?第一章绪论???Ｉ?Ｗ”??￡?．，？？？??〇?＂＊＊＊??＂Ｓ?？＊．，？’?Ｎｅｕｔｒａｌ??ｔｒ?８篇ａ聞雄费费齒截篇８鼸兹？雜ｓ篇孩獐篇ｂｉｂｓ睡ａｓ??Ｅ＼／ｂｍ?Ｅｆ?Ｅｃｂｍ??图１．３施主和受主杂质形成能与费米能级的关系图??（１）热电离能私（ｔｈｅ?ｔｈｅｒｍａｌ?ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ?）??热电离能私定义为掺杂缺陷的中性电荷态和负电荷态之间的跃迁能，用??ｓ（０／－ｌ）表示。定义热电离能等于费米能级，所以此时的两个电荷态的形成能也??相等：??受主：??＾／（ａ?＾ｅａ＝ｅｆ?＝?＾ｆｉａ〇）?（１．２２）??Ｅａ?＝?Ｅｆ（ａ－）ＥＦ＝０?－?Ｅｆ（ａ°）?＝?Ｅａ＾?－?Ｅａ＇°?－?Ｅｃｏｒｒ?－?｛Ｅｖ?＋?ＡＫ（ａ））?（１．２３）??施主：??￡ｙ（ａ°）?＝?Ｅｆ（ａ＋＇）ＥＡ＝Ｅｐ?（１．２４）??私＝￡＞〇０）?—?￡＞（ａ＋）￡Ｆ＝０?＝?Ｐ，０?－?￡ａ，＋１?＋?Ｆｃｏｒｒ?—?（Ｆｖ?＋?Ａｙ〇））?（１．２５）??（２）光电离能￡＾ｐｔ?（ｏｐｔｉｃａｌ?ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ〉：??Ｅ°ｐｔ?＝?Ｅｇ－?Ｅｐｌ?＝?Ｅａ＋?Ｅｒｅｉ?（１．２６）??往往大的心ｅｉ?（构型差异过大）是引起热电离能和光电离能的巨大差异的原??因。??在以上的计算之中，方程中的总能通常通过ＤＦＴ计算获得。缺陷通常通过??使用超晶胞计算，超晶胞就是晶体单胞在三维空间中周期性重复。计算中的原子??或电子数量受到可用计算机功率的限制。对于典型的缺陷计算，含有３２、６４、??１４??
定结构为纤锌矿。??纤锌矿结构具有六方对称性，因此有两个独立的晶格常数ｃ和ａ。纤锌矿结??构的空间群为?Ｐ６３ｍｃ（Ｈｅｒｍａｎｎ－Ｍａｕｇｕｉｎｓｙｍｂｏｌ），点群对称性为?６ｍｍ，Ｓｃｈｏｅｎｆｌｉｅｓ??表示法中的Ｃ＆。Ｗｚ结构由两个相互套构的六方紧密堆积（ｈｅｐ）亚晶格组成，??亚晶格沿ｃ轴偏移５／８的单元高度（５ｃ／８），每个晶格包含一种原子。在一般条件??下，体材料ＧａＮ和Ａ１Ｎ的热力学稳定结构为纤锌矿，所以我们的研宄以Ｗｚ结??构的ＧａＮ和Ａ１Ｎ为研究对象，结构示意图如图３．１所示。??Ｑ??（ａ）?（ｂ）??！?９?，?！??图３．１纤锌矿结构（ａ）?ＧａＮ和（ｂ）?ＡＩＮ结构示意图。绿色球为Ｇａ原子，蓝??色球为Ａ１原子，灰色球为Ｎ原子。??如图３．１所示，Ｗｚ结构可以用基面上的晶格参数ａ和垂直方向上的ｃ和内部参??数ｕ来表示。将ｕ参数定义为阴离子－阳离子键长度（也是最近邻距离）除以晶??格常数ｃ?（ｃ描述原胞高度）。纤锌矿结构是一个六方紧密堆积的晶格，晶格参数??ａ描述基面六边形的边缘长度，ｃ描述垂直于基面的轴向晶格参数，ｕ描述原胞中??的原子间距离。在由互相接触的四个硬球构建的理想纤锌矿结构中ｃ／ａ?＝??１．６３３，?ｕ?＝?３／８?＝?０．３７５。纤锌矿的晶格矢量是５?＝?ａ（ｌ／２，ＶＩ／２，０），Ｓ?＝??￡１（１／２，－７＾／２，０）和芒＝￡１（０，０，（：／２￡〇。在＼＾结构１１１－氮化物中，实验观察到的??ｃ／ａ小于理想值１．６３３，有人认为如果不是这样就会导致闪锌矿结构相【１６］。参数??的种类也清晰地表明，有两种途径可以导致纤锌矿结构偏离理想值：改变ｃ／ａ比??值和改变ｕ值
本文编号：3114948
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：101 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１各电磁波波段紫外光ＬＥＤ器件的不同领域中的应用??美国圣地亚哥国家实验室的Ｈａｎ小组于１９９８年研制出世界上第一支??
?第一章绪论???Ｉ?Ｗ”??￡?．，？？？??〇?＂＊＊＊??＂Ｓ?？＊．，？’?Ｎｅｕｔｒａｌ??ｔｒ?８篇ａ聞雄费费齒截篇８鼸兹？雜ｓ篇孩獐篇ｂｉｂｓ睡ａｓ??Ｅ＼／ｂｍ?Ｅｆ?Ｅｃｂｍ??图１．３施主和受主杂质形成能与费米能级的关系图??（１）热电离能私（ｔｈｅ?ｔｈｅｒｍａｌ?ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ?）??热电离能私定义为掺杂缺陷的中性电荷态和负电荷态之间的跃迁能，用??ｓ（０／－ｌ）表示。定义热电离能等于费米能级，所以此时的两个电荷态的形成能也??相等：??受主：??＾／（ａ?＾ｅａ＝ｅｆ?＝?＾ｆｉａ〇）?（１．２２）??Ｅａ?＝?Ｅｆ（ａ－）ＥＦ＝０?－?Ｅｆ（ａ°）?＝?Ｅａ＾?－?Ｅａ＇°?－?Ｅｃｏｒｒ?－?｛Ｅｖ?＋?ＡＫ（ａ））?（１．２３）??施主：??￡ｙ（ａ°）?＝?Ｅｆ（ａ＋＇）ＥＡ＝Ｅｐ?（１．２４）??私＝￡＞〇０）?—?￡＞（ａ＋）￡Ｆ＝０?＝?Ｐ，０?－?￡ａ，＋１?＋?Ｆｃｏｒｒ?—?（Ｆｖ?＋?Ａｙ〇））?（１．２５）??（２）光电离能￡＾ｐｔ?（ｏｐｔｉｃａｌ?ｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ?ｅｎｅｒｇｙ〉：??Ｅ°ｐｔ?＝?Ｅｇ－?Ｅｐｌ?＝?Ｅａ＋?Ｅｒｅｉ?（１．２６）??往往大的心ｅｉ?（构型差异过大）是引起热电离能和光电离能的巨大差异的原??因。??在以上的计算之中，方程中的总能通常通过ＤＦＴ计算获得。缺陷通常通过??使用超晶胞计算，超晶胞就是晶体单胞在三维空间中周期性重复。计算中的原子??或电子数量受到可用计算机功率的限制。对于典型的缺陷计算，含有３２、６４、??１４??
定结构为纤锌矿。??纤锌矿结构具有六方对称性，因此有两个独立的晶格常数ｃ和ａ。纤锌矿结??构的空间群为?Ｐ６３ｍｃ（Ｈｅｒｍａｎｎ－Ｍａｕｇｕｉｎｓｙｍｂｏｌ），点群对称性为?６ｍｍ，Ｓｃｈｏｅｎｆｌｉｅｓ??表示法中的Ｃ＆。Ｗｚ结构由两个相互套构的六方紧密堆积（ｈｅｐ）亚晶格组成，??亚晶格沿ｃ轴偏移５／８的单元高度（５ｃ／８），每个晶格包含一种原子。在一般条件??下，体材料ＧａＮ和Ａ１Ｎ的热力学稳定结构为纤锌矿，所以我们的研宄以Ｗｚ结??构的ＧａＮ和Ａ１Ｎ为研究对象，结构示意图如图３．１所示。??Ｑ??（ａ）?（ｂ）??！?９?，?！??图３．１纤锌矿结构（ａ）?ＧａＮ和（ｂ）?ＡＩＮ结构示意图。绿色球为Ｇａ原子，蓝??色球为Ａ１原子，灰色球为Ｎ原子。??如图３．１所示，Ｗｚ结构可以用基面上的晶格参数ａ和垂直方向上的ｃ和内部参??数ｕ来表示。将ｕ参数定义为阴离子－阳离子键长度（也是最近邻距离）除以晶??格常数ｃ?（ｃ描述原胞高度）。纤锌矿结构是一个六方紧密堆积的晶格，晶格参数??ａ描述基面六边形的边缘长度，ｃ描述垂直于基面的轴向晶格参数，ｕ描述原胞中??的原子间距离。在由互相接触的四个硬球构建的理想纤锌矿结构中ｃ／ａ?＝??１．６３３，?ｕ?＝?３／８?＝?０．３７５。纤锌矿的晶格矢量是５?＝?ａ（ｌ／２，ＶＩ／２，０），Ｓ?＝??￡１（１／２，－７＾／２，０）和芒＝￡１（０，０，（：／２￡〇。在＼＾结构１１１－氮化物中，实验观察到的??ｃ／ａ小于理想值１．６３３，有人认为如果不是这样就会导致闪锌矿结构相【１６］。参数??的种类也清晰地表明，有两种途径可以导致纤锌矿结构偏离理想值：改变ｃ／ａ比??值和改变ｕ值
本文编号：3114948
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