Электронно-энергетические и оптические характеристики гексагонального нитрида галлия с дефектами замещения

• Автор: Новиков, Сергей Игоревич
• Шифр специальности: 01.04.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Волгоград
• Количество страниц: 136 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Постановка задачи и методы исследования ОаТ4-структур

1.1. Моделирование как составная часть теоретического исследования

1.2. Обзор результатов исследования ОаІЧ-структур

1.3. Методы расчета электронно-энергетических характеристик многоатомных систем

Глава 2. Электронно-энергетическая структура гексагонального трехмерного Оа1Ч и его твердых растворов УдДа^ДЧ

2.1. Особенности моделей и методика расчета

2.2. Бездефектная структура

2.3. Изовалентное замещение

2.3.1. Кристаллическая структура ВДЗаіДЧ
2.3.2. Кристаллическая структура АІ/ЗаіДЯ
2.3.3. Кристаллическая структура ІщОаі.ДЧ
2.3.4. Электронная структура и энергетический спектр электронов
2.4. Замещение донорного (Ті) и акцепторного ^п) типов
2.5. Выводы
Глава 3. Электронно-энергетические характеристики и спектр оптического поглощения тонких пленок нитрида галлия
3.1. Постановка задачи и методика расчета
3.2. Недостатки трехмерной модели
3.3. Двумерная модель с атомарно чистой поверхностью
3.4. Модель пленки ОаИ на подложке БіС
3.5. Выводы
Глава 4. Электронно-энергетические характеристики и спектр оптического поглощения тонких пленок нитрида галлия на основе двумерной модели с дополнительными атомами на поверхности

4.1. Постановка задачи
4.2. Геометрическая, электронно-энергетическая структура и оптические
характеристики
4.3. Выводы
Глава 5. Электронно-энергетические характеристики и спектр оптического поглощения тонких пленок нитрида галлия с дефектами на поверхности
5.1. Постановка задачи и модель расчета
5.2. Энергетическая стабильность
5.3. Структура P/GaN
5.4. Структура As/GaN
5.5. Структура Sb/GaN
5.6. Структура Bi/GaN
5.7. Структура Al/GaN
5.8. Структура In/GaN
5.9. Сравнительный анализ
5.10. Выводы
Основные результаты и выводы
Список сокращений
Список использованной литературы

Введение
Актуальность темы. Полупроводниковые приборы на широкощелевых нитридах Ш-ей группы по многим параметрам превосходят традиционные приборы на 81 и СаАя. По достигнутым характеристикам особенно отличаются приборы на нитриде галлия. Этот материал обладает высокой термической, химической и радиационной стойкостью, а также по сравнению с кремнием имеет более высокую электропроводность и теплопроводность. Все это обуславливает применение ваХ в качестве активных сред высокотемпературных транзисторов, пригодных для работы даже в крайне неблагоприятных условиях, а также в оптоэлектронике и спинтронике. Материалы на основе нитрида галлия используются в полупроводниковых лазерах, работающих в коротковолновой области видимого диапазона, причем частота излучения зависит от концентрации допантов. Для целенаправленного использования соединений типа УЮа^К большое значение имеет исследование зависимости их электронноэнергетических характеристик от концентрации х и типа атомов-заместителей У. Также важную роль играют тонкие (нанометровые) пленки ОаТМ, поверхностью которых преимущественно обусловлены их электронно-энергетические и оптические характеристики. В связи с этим актуальной задачей является разработка моделей, пригодных для исследования свойств ОаМ-структур методами квантовой механики.
Степень разработанности темы исследования. Зонная структура бездефектного гексагонального нитрида галлия и его немагнитных твердых растворов исследовалась в работах В.В. Илясова, Т.П. Ждановой, И.Я. Никифорова, Т.В. Горкавенко, Д. Фритч, Р. Чериан, М.А. Каро, С. Шульца и др. Свойства магнитных разбавленных полупроводников на основе нитрида галлия изучены в трудах С. Лиу, Ф. Юн, Ш. Моркока, Ж. Ксионг, С. Ши, Ф. Джианга, С. Ди Валентина, Ф. Гуанг-Хана, Ж. Тиан-Минга, С.Х. Ли и др. В работах В.В.

высоких энергий сдвигаются: максимум ё'р ~ на 0,2 эВ, максимум ё" ~ на 0,6 эВ, минимум между ними - на 0,5 эВ, нижняя граница е'р 2рм-подзоны ~ на 0,75 эВ. Энергия е" верхней границы 2зм-подзоны увеличивается ~ на 0,35-0,40 эВ, а нижней границы е] ~ на 1,05 эВ. Таким образом, нижняя валентная 2зм-подзона целиком сдвигается в область более высоких энергий и при этом сужается ~ на 0,7 эВ. Энергии вакантных состояний, наоборот, смещаются в область более низких энергий -на 0,75-0,80 эВ, что приводит к уменьшению ширины запрещенной зоны (как это отмечалось ранее). При этом уровень химического потенциала р сдвигается вниз по шкале энергий таким образом, что его положение остается примерно посередине запрещенной зоны (как это и должно быть согласно зонной теории бездефектных полупроводников).
Анализ распределения электронной плотности в объемном бездефектном ваИ показывает, что химические связи между атомами в кристаллической структуре имеют частично ионный характер: для каждой пары атомов ва-К 0,63 электрического заряда электрона переходит с атома галлия на атом азота (атом галлия становится положительным ионом, атом азота - отрицательным).
Отметим также, что рассчитанная нами зависимость мнимой части диэлектрической проницаемости г (характеризует поглощательную
способность ОаТ4) как функции энергии поглощенных фотонов (Рисунок 6) хорошо совпадает как с
О 5 10
Энергия фо гона, эВ экспериментальной зависимостью
Рисунок 6 - Зависимость мнимой части В"(Н(0), ТЕК И С рЕССЧИТЕННЫМИ В [14]
диэлектрической проницаемости б" от энергии
фотонов (1- и 2- рассчитанные в настоящей работе КРИВЫМИ.
и в [14] соответственно; 3- экспериментальная
кривая)