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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,因此需要对GaN和AlN的本征缺陷行为进行分析。在此基础上研究生长过程中C杂质的掺入对材料性质的影响。通过杂化密度泛函计算,分析得到Ⅲ族氮化物材料P型掺杂难以实现的原因。2)基于以上计算,进一步开展GaN中Be掺杂受主的结构和电子性质第一原理杂化密度泛函模拟。结果表明,Be受主具有亚稳态构型(SB2-AX),与基态构型(SB1-AX)非常相似。这两种构型具有几乎相同的电离能(0.72eV和0.80eV)和发射峰(1.73eV和1.71eV),能都解释实验中黄色PL波段的磁共振各向异性。此计算结果加深了对GaN中Be掺杂的理解,为检测氮化物基电子器件和光学器件的缺陷特性提供了指导。3)开展了Al1-xGaxN外延层应变的第一性原理研究。在GGA水平上计算六方结构GaN和AlN的非线性力学性能,采用应变-能量关系法求解三阶弹性常数,对无序外延材料的弯曲系数等参数进行预测。分析不同衬底上不同外延层的应变能和内应力变化过程,发现在AlN衬底的外延结构中,随着镓含量的增加,非线性效应对内应力的影响高达29.4%,从而充分证明了非线性力学响应对半导体材料和异质结结构的巨大影响。4)开展了(AlN)5/(GaN)1超薄量子阱(Ga δ-doping)电学及非线性光学性质的理论计算研究,探究超晶格结构对材料的电子结构和光学性能的影响。基于密度泛函理论(DFT),对(AlN)5/(GaN)1超薄量子阱,(AlN)m/(GaN)n(m+n=6)结构和(AlN)m/(GaN)1(m=1,3,5,7)的能带和偏振光学特性进行讨论。结果发现(AlN)5/(GaN)1特殊的超晶格结构使材料中的△cr由-231.8meV(AlN)转变为202.5meV,正向的TE模偏振光成为发光模式的主导。此外还讨论了 Si掺杂对(AlN)5/(GaN)1超胞量子阱的电子结构和光学性能的影响。最后进一步讨论特殊的微观结构(AlN)m/(GaN)n(m+n=6)和(AlN)m/(GaN)1对偏振光学特性的影响。