三元混晶Al_xGa_(1-x)As的电子能带结构和光学性质的第一性原理研究

【摘要】随着半导体技术的飞速发展,以GaAs为代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体由于它在制造异质结构和可调式器件,以及光电设备等方面的应用,因此备受关注。近几年来,为优化和扩大半导体设备的应用,可以通过改变组分使其具有广泛性能的半导体三元混晶,比如AlxGa1-xAs已被广泛应用到像超晶格、钠米线、量子阱、量子线、量子点的纳米电子器件中。然而由于计算的复杂性,目前对三元混晶AlxGa1-xAs的电子带结构和光学性质只有少量组分的理论计算,为了全面、理解光电特性与组分的依赖关系,在本文通过第一性原理方法进行了组分较全面的计算。本文基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,分三部分内容。首先计算了本征闪锌矿半导体GaAs结构的能带、态密度、介电函数,并采用LDA和GGA近似计算了声子谱,玻恩有效电荷和热力学性质。其次,为了充分理解三元混晶AlxGa1-xAs的结构与光电特性,晶格常数、带结构和介电函数与组分的依赖关系也进行了讨论,并且进行了公式拟合。最后,采用HSE方法对带隙进行了修正。计算结果表明,闪锌矿GaAs是直接带隙半导体；在声子色散曲线图中,采用LDA计算的声子频率值比GGA结果高,我们计算的沿高对称点的声子频率结果与实验数据和其他理论值一致。晶格参数和介电函数都随组分变化呈线性增大,遵从维加德定律；而Γ点带隙随组分却是非线性的增大,弯曲系数是b=0.56。采用HSE方法,计算的带隙值提高,并接近实验值。从态密度图中可以发现,随着A1浓度的增加,Al-3s,3p态在导带部分移向高能处,这会导致带隙的增加和蓝移现象的出现。
【作者】毛宇；
【导师】梁希侠；
【作者基本信息】内蒙古大学，物理学，2014，硕士
【关键词】三元混晶AlxGa1-xAs；晶格参数；HSE；电子能带结构；光学性质；声子谱；

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