空位缺陷对氮化镓的电子结构和光学特性

文摘

镓空位的影响()和氮空位()缺陷的电子结构和光学性质GaN使用密度泛函理论中的广义梯度近似法。结果表明,带隙增加在氮化镓空位缺陷。晶体参数减少在氮化镓氮-空位(GaN:与镓空位)和增加氮化镓(GaN):)。顶部的Ga空置介绍缺陷级别的价带,和缺陷级别由N2p电子状态。此外,能带在GaN转移到较低的能量:氮化镓和移动到更高的能量:。水平分割甘N2p状态的观察:氮化镓和Ga3d状态:。新的高峰出现在低能量区域在GaN虚构的介电函数:甘:。主峰移动到更高的能量和强度降低。

1。介绍

氮化镓是所谓的第三代宽禁带半导体材料。随着半导体技术的快速发展,已经成为半导体材料在过去几十年研究的焦点。氮化镓的带隙在室温下是3.39 eV。尤其是GaN-based材料带隙宽的优势,电子漂移速度快,耐高温,耐高压,防辐射(1]。所以他们吸引了太多的关注在短波长发光器件的制备和高功率微波器件。氮化镓是核心材料和新半导体光电产业的基本设备。氮化镓的缺陷和杂质对电子传递的影响,光学性质的材料。仿真是一个很好的方法来研究半导体材料缺陷除了实验。甘有很多研究用实验或理论计算2- - - - - -4]。Neugebauer和Van De机器人瓦力计算的电子结构和原子结构的内在缺陷GaN通过第一原理(5]。Boguslawski等人模拟GaN从头开始使用分子动力学的内在缺陷(6]。康等人计算的缺陷在氮化镓外延层的第一原则。相信C、O杂质和内在缺陷可能是黄色和蓝色光的来源(7]。沈和康研究了六方氮化镓的固有缺陷和C的电子结构和O使用本地密度泛函理论(8]。这些方法都是基于第一原理计算的地层能量GaN和电子结构的C o .在这篇文章中,我们研究的影响和氮化镓电子结构和光学性质的使用第一原理。

2。模型和计算

纯氮化镓六面体纤锌矿结构。它属于P63mc空间群。它的对称性。晶格常数海里,海里,,。是1.626。这是略小于1.633的理想六角密积结构。图1(一)显示了氮化镓超晶胞模型包含16 Ga原子和16 N原子。的坐标(0.66667,0.33333,0.49926)的吗是(0.33333,0.66667,0.4375)(如图1 (b)和1 (c))。计算是基于CASTEP(串行总能量包剑桥)的材料Studio 7.0。电子和离子之间的相互作用是通过平面波描述伪势方法(PWP)和广义梯度近似(GGA)。能源平面波截止360 eV。的收敛精度电动汽车/原子在迭代。最大的力量是0.03 eV / 0.05的绩点和最大应力。Monkhorst-Pack是用于计算的总能量和电荷密度的布里渊区。分是4×4×2。快速傅里叶变换(FFT)网格是40×40×72。所有的计算都是在倒易空间进行。原子价电子计算Ga: 3 d¹⁰4 s²4 p¹N: 2²2 p³。

3所示。结果和讨论

3.1。结构和性能

表1显示了纯粹的晶格常数和空位缺陷优化后氮化镓。在纯氮化镓为1.628,接近别人的(9]。误差仅为0.12% 1.626与实验结果比较。晶格常数在氮化镓减少:在氮化镓,增加:。然而,空缺类型对晶格常数的影响。这个结果与文献[10]。结果表明,导致更大的放松方向,但是有更大的放松方向。

3.2。能带结构和态密度

图2显示了能带结构的纯氮化镓和氮化镓空位缺陷。最小最大价带和导带的纯氮化镓的布里渊区位于G点。结果表明,氮化镓是一种直接宽带隙半导体材料的能隙1.66 eV。这个结果符合Du et al。(11]。但这是明显不同于实验值3.39 eV。这是由于使用广义梯度近似(GGA)和忽视激发态电子的相关性。它对结果没有影响的讨论12]。从图可以看出2价带和导带的数量显著增加,氮化镓:甘:带隙是更广泛的比纯氮化镓。氮化镓的带隙:甘:分别增加到2.30 eV和1.97 eV。甘成为间接带隙半导体,因为。介绍了三种受体水平在0.67 eV的价带顶部GaN:。费米能级()移动到较低的能量明显区域。的费米能级在价带最大的一部分。在价带电子可以跳转到这个水平。孔可以发生在价带。所以Ga空置在GaN受体缺陷。

总态密度(TDOS)的纯氮化镓和氮化镓空位缺陷如图3。从图可以看出3纯氮化镓的价带主要由两组乐队。上面的价带是主要来自Ga3d和n2。它的范围从−15.9 eV−10.4 eV。Ga3d状态的峰值出现在−13.5 eV和形成一个强烈的局部态密度。与其他价带没有明显的相互作用。下面的价带是0电动车从−6.9 eV。它主要由N2p状态决定了价带的位置。传导带从3.0 eV 7.7 eV。它主要由Ga4s Ga4P状态和一些N2p状态。n2贡献较少,价带和导带。 Near the Fermi level, the variation of DOS at the bottom of the conduction band is relatively smooth. The electron has a small effective mass and high mobility in the conduction band [13]。图3 (b)显示,对氮化镓的TDOS有很大影响。氮化镓的价带和导带:搬到低能量区域明显。最低导带转移到较低的能量,占据了费米能级。浅施主能级产生底部的传导带,其宽度约0.8 eV。n型电导率GaN礼物。氮化镓的价带:移动到更高的能量区域和费米能级跃迁到价带。但是,运动是相对较小。的费米能级占据价带最大的一部分。价带中的电子跳转到这个级别和漏洞是在价带中产生。是甘受体缺陷。DOS的峰值大幅降低氮化镓的价带:甘:。氮化镓的高峰:降低更明显。氮化镓的态密度:显示了费米能级附近的明显下降。电导率成正比的费米能级态密度。我们可以确认可以减少氮化镓的电导率。也发现空缺导致带隙增加从图3。

数据4和5显示部分Ga和N原子的态密度,分别。底部的传导带主要是由Ga4s电子在纯和氮化镓空位缺陷。从图可以看出5 (c)受体水平在氮化镓的价带最大:主要是由N2p电子状态。N2p电子交叉费米能级占据更高的能级。空电子状态是价带的顶部形成的。氮化镓是p型导电率。图5 (b)表明N2p GaN状态:形式层面分裂−4 eV和4 eV。这可能是一个s和P-like本地状态造成的(14]。s在价带和P-like状态在导带。水平分割,而是在氮化镓形成更大层面:如图5 (c)。我们可以看到从图4 (c)氮化镓Ga3d状态:形成两个分割水平约为−15电动汽车。两个水平相距0.8 eV。相信水平分裂的主要原因是量子效应的原子之间的相互作用。Ga原子的缺失破坏了完美的氮化镓的周期性结构。N原子叠加和杂交遗传算法导致GaN Ga3d国家分裂价带以下:。

3.3。甘缺陷的光学特性的影响

绝热近似和单电子近似通常用于光和固体的相互作用。声子间接过渡使用单电子近似可以忽略。只有电子激发被认为是(15]。复介电常数和复杂的折射率,它可以描述系统的线性响应的光电场小波向量。介电常数的虚部可以推导出根据直接跃迁概率和色散关系(16]:

的下标和分别是导带和价带。BZ是第一布里渊区。是电子波向量。是过渡矩阵元素。和的内在水平导带和价带。公式(1)提供了基本理论依据分析晶体的结构和光学特性。它反映了发光机制的电子水平之间的转换。光谱是由电子水平之间的转换。可以解释为每个介电峰能带结构和态密度17]。

虚构的介电函数的纯氮化镓和氮化镓空位缺陷图6。从图可以看出6一个很强的峰值出现在5 - 10 eV的范围。纯氮化镓的主要峰值位于5.89 eV。它应该是由Ga3d或N2p电子过渡到较低水平。甘校长高峰:甘:转移到更高的能量区域。频谱显示蓝移。主要峰的强度很弱。这是由于晶格弛豫引起的氮化镓空位。没有介电峰0 - 2电动汽车在纯氮化镓。但介电峰是发现在GaN约0.82 eV:甘:。甘和峰:更强。这个峰值来自价带和导带之间的过渡。纯氮化镓的峰值2.83 eV应该N2p电子从价带最大过渡到导带。峰值和能量差距之间存在偏差,这可能是有关N2p电子跃迁的松弛效应。峰变成前沿GaN和转移到更高的能量区域:。它是一致的带隙增加甘:。Ga空缺将介绍深受体水平在费米能级附近。所以甘的峰值2.83 eV:被认为是导带之间的过渡和深受体水平。Ga空置曾经被认为是黄灯的来源(2.2 - -2.8 eV) [18]。山峰是相同的在10.97 eV和18.22 eV纯甘和空缺。峰值为10.97 eV可能Ga3d或n2电子之上和之下的价带之间的过渡。峰值为18.22 eV应该Ga3d下面的价带和导带之间的过渡。最下面的价带电子跳价带上面在第一,然后从价带运输上面的导带。很少有电子从价带低于直接传导带过渡。峰很弱。

4所示。结论

的电子结构和光学性质纯氮化镓和氮化镓:甘:研究了通过平面波伪势方法(PWP)和广义梯度近似(GGA)。空位缺陷使晶格常数变化和带隙增加。价带和导带转向低能量区域显然在甘:与纯氮化镓。价带移动到更高的能源甘地区:。空缺使国家的密度明显减少GaN下面的价带。甘峰值减少更多的:。Ga4s电子状态决定最低导带和价带最大是由N2p州纯甘,甘:甘:。空位缺陷引起的光学特性。甘新介电峰值出现在低能量区域:甘:。峰是由电子从价带到传导带的过渡。与纯氮化镓相比,氮化镓的主要山峰:甘:转移到更高的能量区域。同时,强度减弱,发生了蓝移。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作得到了廊坊市关键技术研究与开发项目中国没有。2016011054)和中国中部大学的基础研究基金(没有。3142016010)。

引用

1. a·马吉德,j·伊克巴尔和a·阿里”的结构、光学和磁性Ce-GaN稀释磁性半导体为基础,“超导杂志和小说磁性,24卷,不。1 - 2、585 - 590年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. 问:问:李问:y, y,和g·刘,“Ce掺杂和相关复合物的第一原理研究氮化镓,”计算材料科学卷。72年,32-37,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. j·k·沈和f·w·黄”,提高转换效率与Mn-doped GaN-based太阳能电池的吸收层,”应用物理快报,卷103,不。6篇文章ID 063906 4页,2013。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. Majid, a . tid和j·j·朱,“甘铈诱导铁磁交换相互作用”,磁学和磁性材料》杂志上卷,374年,第679 - 676页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. j . Neugebauer和c . g . Van De机器人瓦力,”甘原子原生缺陷的几何和电子结构,”物理评论B,50卷,不。11日,第8070 - 8067页,1994年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
6. p . Boguslawski、e·l·布里格斯和j . Bernholc“原生缺陷在氮化镓,”物理评论B,51卷,不。23日,第17258 - 17255页,1995年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. j .康d Cai, x, y沈,和沈,“三世氮化物外延层,缺陷”固态电子产品的研究和进展,22卷,不。4、375 - 380年,2002页。视图:谷歌学术搜索
8. Y.-W。沈和J.-Y。康,“从头开始计算电子结构的碳和氧杂质在氮化镓,”Wuli学报/自然史学报,51卷,不。3、645 - 648年,2002页。视图:谷歌学术搜索
9. g . y .高,k . l .姚明,z l . Liu y l . Li y . c . Li和问:m . Liu“从头开始伪势的研究结构的压力依赖性,氮化镓电子和光学性质,“固态通信,卷138,不。年级,494 - 497年,2006页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. w·e·帕卡德j . d .陶氏k . Doverspike r·卡普兰和尼克莱德斯r .,“空置结构氮化镓(0001)表面,”材料研究学报,12卷,不。3、646 - 650年,1997页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. Y.-J。杜,B.-K。常,j j。张,李,和X.-H。王”,采用的电子结构和光学性质的研究氮化镓(0001)表面,”《物理学报》,卷61,不。6,414 - 420年,2012页。视图:谷歌学术搜索
12. 张,j .施m . Zhang m·杨和j·李,“采用基于调查GaN和InGaN合金的光学性质,“物理学学报D辑:应用物理,44卷,不。49岁,495304 - 495312年,2011页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. z Dridi, a . Lazreg h . Rozale et al .,”立方的电子结构和磁性${\mathrm{G}\mathrm{一个}}_{1-\mathrm{x}}{\mathrm{E}\mathrm{u}}_{\mathrm{x}}$N和${\text{艾尔}}_{\text{1−x}}{\text{欧盟}}_{\text{x}}$N使用LSDA + U方法。”计算材料科学,48卷,不。4、743 - 748年,2010页。视图:谷歌学术搜索
14. 大肠山口和m . r . Junnarkar氮空位对氮化硅半导体的光学特性的影响,“杂志的晶体生长卷,189 - 190,570 - 574年,1998页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. r·p·戴维斯c . r . Abernathy s . j . Pearton d·p·诺顿m . p . Ivill f . Ren,”过渡的最新进展和镧系元素metal-doped GaN和氧化锌,”化学工程通信,卷196,不。9日,第1053 - 1030页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. x c .盛半导体的光谱和光学性质,科学出版社,北京,2003。
17. 黄k和r .问:汉族,固体物理,高等教育出版社,北京,1988。
18. a . Sedhain j . Li j.y.林、江h . x,“甘深中心排放的本质,”应用物理快报,卷96,不。15日,第1907 - 1902页,2010年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2017丽丽Cai和Cuiju峰。这是一个开放的分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。