高壓下GaAs的電輸運性質研究.pdf

1、本文以III-V族化合物半導體材料砷化鎵（GaAs）為研究對象，利用磁控濺射和薄膜光刻實驗技術，通過在金剛石對頂砧（DAC）上集成微電路，對樣品高壓下的交流阻抗譜測量和原位電阻率測量進行研究。同時結合第一性原理計算方法，解釋GaAs樣品的結構相變和金屬化現(xiàn)象微觀機制。
　　本研究主要內容包括：⑴高壓下GaAs交流阻抗譜測量：實驗中只觀察到晶粒的輸運特征。12.3到13.0 GPa的壓力范圍內，體電阻急劇下降了兩個數量級，弛豫峰明顯

2、向高頻方向移動，弛豫強度急劇減小。體電阻和弛豫頻率的突變現(xiàn)象是由zb→Cmcm的結構相變所引起的。⑵高壓下GaAs原位電阻率測量：加壓過程中，12.0到13.0 GPa的壓力范圍內，電阻率急劇下降三個數量級，這個電阻率的突變現(xiàn)象是由zb→Cmcm相的結構相變所引起的。相變過程中，原子位置重新排列，載流子濃度增加，導電能力增強。卸壓過程中，電阻率在6.0 GPa處急劇上升三個數量級，這是由Cmcm→zb的結構相變引起的。⑶高壓下GaAs變

3、溫電阻率測量：12.0 GPa以前，電阻率隨著溫度的升高而降低，表現(xiàn)為半導體特性。12.0 GPa以后，電阻率隨溫度的升高而升高，表現(xiàn)為金屬特性。因此可認定zb→Cmcm的結構相變是典型的半導體→金屬的轉變。通過變溫電阻率實驗結果能夠擬合出激活能的值。70-200 K的溫度區(qū)間內，激活能相對較低，載流子很容易激發(fā)到較低的雜質能級。200 K到常溫的溫度區(qū)間內，激活能較高，導致載流子很難進一步激發(fā)到更高的雜質能級。當壓力趨近于13.0 G

4、Pa時，兩部分激活能差值趨于0，此時典型的半導體行為消失，能量勢壘不存在。⑷GaAs的第一性原理計算：從焓隨壓力的變化關系可知，在12GPa發(fā)生zb→Cmcm的結構轉變。能帶結構計算說明，Cmcm相能帶穿過費米能級，為金屬相。態(tài)密度計算說明，Cmcm相中Ga原子的4s和4p態(tài)以及As原子的4s和4p態(tài)在壓力作用下移動進入費米能級，并且在費米能級處發(fā)生強烈耦合。差分電荷密度計算則說明在zb相中，主要表現(xiàn)為共價性，電子局域性較強；Cmcm相