掺杂gan和ganzno界面光电性质的第一性原理研究

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1、学校代码：10406分类号：O471.4学号：130085202001南昌航空大学硕士学位论文（专业学位研究生）掺杂GaN和GaN/ZnO界面光电性质的第一性原理研究硕士研究生：梁剑锋导师：颜超讲师申请学位级别：硕士学科、专业：光学工程所在单位：测试与光电工程学院答辩日期：2016年6月授予学位单位：南昌航空大学FirstprinciplesstudyofphotoelectricpropertiesofdopedGaNandGaN/ZnOinterfaceADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterOnOpticalEngineeringby

2、LiangJian-fengUndertheSupervisionofLec.YanChao(CollegeofTestingandOpticalEngineering)NanchangHangkongUniversity,Nanchang,ChinaJune,2016摘要本文主要研究掺杂GaN和GaN/ZnO异质界面的光电性质。采用基于密度泛函理论的第一性原理方法，通过MaterialStudio模拟软件中的CASTEP模块对模型进行光电性质方面的计算。主要的研究结果如下：本征GaN以纤锌矿为稳定结构而以闪锌矿为亚稳定结构的内在原因是纤锌矿的Ga-N键稳定性要比闪锌矿的强，并且在稳

3、定状态下，纤锌矿的能量值比闪锌矿的更小。此外，在能带结构方面，纤锌矿比闪锌矿的导带向高能方向宽大约10eV，导致纤锌矿的光学响应范围更广。这两种结构晶体的光学特性随光子能量的变化，均可以分为四个能量区域并对这些区域的光学特性进行了详细的讨论，为GaN在光电材料方面的设计和应用提供了理论基础。不同的掺杂原子对GaN的光电性质影响有所不同。本工作中选取Mg、Si、Al和In做为掺杂原子。（1）Mg掺杂给GaN提供受主能级，在价带顶附近形成导电空穴，属于P型半导体，Mg掺杂浓度越大，形成能越大，高质量的P型掺杂GaN越难形成，此外，在低能和高能区域内出现明显的光学响应。（2）掺杂Si后的G

4、aN，费米能级都进入导带，提供电子，形成N型半导体，掺Si的形成能为负，掺Mg的形成能为正，即Si掺杂更为容易，此外，在低能区域产生了少量的光学响应。（3）Al和In掺杂下仍然是直接带隙半导体，费米能级没有发生移动，能带结构与本征GaN相似。Al掺杂GaN和In掺杂GaN均符合Vegard定律，前者为反比关系，后者为正比关系。Al浓度越高，带隙越大；In掺杂浓度越高，带隙越小，这样Al和In掺杂就可以连续的调节GaN的带隙值，得到连续的发光波段。（4）掺杂前后体系的带隙值都随压强的增大而增大，从而使光学常数产生蓝移现象，其中它们的带隙值变化的内在原因也进行了详细的分析；Mg、Si掺杂

5、GaN的蓝移现象出现在能量大于5eV之后，而本征及Al、In掺杂下的GaN在光学响应一开始蓝移现象就出现了。通过比较GaN、ZnO和GaN/ZnO的光电性质，发现了它们都是直接带隙半导体材料，静介电常数基本相同。GaN/ZnO价带顶由N2p和O2p确定，导带底由Zn4s确定。GaN/ZnO的介电函数介于GaN和ZnO之间；能量损失范围最少，损失强度最大；吸收谱介于GaN和ZnO之间；反射响应范围最小，但反射强度最大。关键词：GaN，掺杂，GaN/ZnO，第一性原理，光电性质IAbstractInthispaperphotoelectricpropertiesofdopedGaNand

6、GaN/ZnOaremainlyresearched.Useingfirst-principlesmethodsbaseddensityfunctionaltheorycalculatetheoptoelectronicpropertiesofmodelbytheCASTEPwhichisinMS.Themainfindingsareasfollows:Theinnerreasonsofwurtziteasstablestructureandzinc-blendeasmetastablestructureisthatGa-Nbondofwurtziteismorestablethan

7、zinc-blendeandtheenergyofwurtzitesmallerthanzinc-blende.Inaddition,wurtziteGaNhavemorewiderconductbandsothatitsopticalresponseismorewider.Opticalpropertiesofthesetwostructureschangewiththeenergy,andcanbedividedintofouraresimilarre