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化学有序Al_xGa_(1-x)N合金的电子性能研究

作 者: 潘正贵
导 师: 唐壁玉
学 校: 湘潭大学
专 业: 微电子学与固体电子学
关键词: AlxGa1-xN合金 化学有序 第一性原理计算 能带结构 半导体
分类号: TN304
类 型: 硕士论文
年 份: 2011年
下 载: 24次
引 用: 1次
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内容摘要


GaN及其化合物AlxGa1-xN、InxGa1-xN等半导体材料被认为是最有前途的化合物半导体材料。这些化合物半导体材料具有良好的热力学稳定性以及可调的发光波长等优点,因此被广泛应用于开发发光二极管、激光器和探测器等光电器件。尤其是研究人员越来越关注于AlxGa1-xN合金材料在紫外和深紫外光电子器件领域的应用。控制AlxGa1-xN合金材料中Al的组分以及改善AlxGa1-xN合金材料的晶体质量是得到更有效率的紫外光源的基本方法和途径,这就要求调制AlxGa1-xN合金材料的带隙,理论上可以把它的带隙调节在3.44eV到6.28eV的范围之内。只要通过调节并选取不同的组分x,来调节并达到需要的物理参量,就可以利用单一体系的材料来制备覆盖从蓝到深紫外光谱的光电器件以满足器件需要,因此化学有序AlxGa1-xN合金就成为了研究热点问题。随着军事和民用应用的深入和探测技术发展,对化学有序AlxGa1-xN材料的很多深刻物理问题的认识已不能局限于在基于经验参数的理论框架内。许多材料机理乃至器件在工程应用环境中表现的现象需要从全量子理论框架中寻求答案。所以本文采用全量子理论框架中的第一性原理方法研究了化学有序AlxGa1-xN合金。本文利用基于密度泛函理论的第一性原理方法系统研究了化学有序结构AlxGa1-xN合金的结构、稳定性和电子性质。我们发现随着组分x的增大,化学有序结构AlxGa1-xN合金的晶格常数逐渐减小,而结构稳定性变强。同时,完美的GaN和AlN都比化学有序AlxGa1-xN合金结构要稳定得多,在化学有序AlxGa1-xN合金中越接近完美的GaN或AlN越有利于化学有序AlxGa1-xN合金晶体的形成。对计算的电子性质的分析揭示:化学有序结构AlxGa1-xN合金是直接带隙半导体,其带隙随着x的增大而增大;化学有序化对带隙变化的影响可能源于类似量子阱的局域化;且化学有序结构AlxGa1-xN的化学键是包含明显离子特性的共价键。这些模拟结果对AlxGa1-xN的生长及其器件设计具有一定的参考价值和指导意义。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 引言  9-16
  1.1 半导体材料的发展  9-10
  1.2 Ⅲ族氮化物半导体材料的基本结构与性质  10-12
    1.2.1 Ⅲ族氮化物半导体材料  10
    1.2.2 几种重要的Ⅲ族氮化物半导体材料  10-11
    1.2.3 Ⅲ族氮化物半导体材料的结构参数与带隙的关系  11-12
  1.3 Al_xGa_(1-x)N材料的应用  12-13
  1.4 化学有序Al_xGa_(1-x)N材料的研究现状  13-14
  1.5 本文研究的目的、意义和基本内容  14-16
第2章 研究方法和理论背景  16-28
  2.1 密度泛函理论  16-21
    2.1.1 Hohenberg-Kohn定理  16-17
    2.1.2 Kohn-Sham方程  17-21
  2.2 交换关联泛函近似  21-24
    2.2.1 局域密度近似(LDA)  21-22
    2.2.2 广义梯度近似(GGA)  22-24
  2.3 赝势方法  24-26
  2.4 结构优化  26
  2.5 VASP软件包简介  26-28
第3章 化学有序Al_xGa_(1-x)N合金的结构与稳定性  28-34
  3.1 引言  28-29
  3.2 理论模型  29
  3.3 结构优化  29-31
  3.4 晶体稳定性  31-33
  3.5 本章小结  33-34
第4章 化学有序Al_xGa_(1-x)N合金的电子性质  34-43
  4.1 引言  34
  4.2 能带结构  34-37
  4.3 态密度  37-40
  4.4 电荷密度和成键电荷密度  40-42
  4.5 本章小结  42-43
第5章 总结与展望  43-45
  5.1 论文总结  43
  5.2 研究展望  43-45
参考文献  45-50
致谢  50-51
攻读硕士学位期间发表的论文  51

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料
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