高壓下GaAs的電輸運(yùn)性質(zhì)研究.pdf

1、本文以III-V族化合物半導(dǎo)體材料砷化鎵（GaAs）為研究對(duì)象，利用磁控濺射和薄膜光刻實(shí)驗(yàn)技術(shù)，通過在金剛石對(duì)頂砧（DAC）上集成微電路，對(duì)樣品高壓下的交流阻抗譜測(cè)量和原位電阻率測(cè)量進(jìn)行研究。同時(shí)結(jié)合第一性原理計(jì)算方法，解釋GaAs樣品的結(jié)構(gòu)相變和金屬化現(xiàn)象微觀機(jī)制。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴高壓下GaAs交流阻抗譜測(cè)量：實(shí)驗(yàn)中只觀察到晶粒的輸運(yùn)特征。12.3到13.0 GPa的壓力范圍內(nèi)，體電阻急劇下降了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，弛豫峰明顯

2、向高頻方向移動(dòng)，弛豫強(qiáng)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(jié)構(gòu)相變所引起的。⑵高壓下GaAs原位電阻率測(cè)量：加壓過程中，12.0到13.0 GPa的壓力范圍內(nèi)，電阻率急劇下降三個(gè)數(shù)量級(jí)，這個(gè)電阻率的突變現(xiàn)象是由zb→Cmcm相的結(jié)構(gòu)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(dǎo)電能力增強(qiáng)。卸壓過程中，電阻率在6.0 GPa處急劇上升三個(gè)數(shù)量級(jí)，這是由Cmcm→zb的結(jié)構(gòu)相變引起的。⑶高壓下GaAs變

3、溫電阻率測(cè)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(dǎo)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(rèn)定zb→Cmcm的結(jié)構(gòu)相變是典型的半導(dǎo)體→金屬的轉(zhuǎn)變。通過變溫電阻率實(shí)驗(yàn)結(jié)果能夠擬合出激活能的值。70-200 K的溫度區(qū)間內(nèi)，激活能相對(duì)較低，載流子很容易激發(fā)到較低的雜質(zhì)能級(jí)。200 K到常溫的溫度區(qū)間內(nèi)，激活能較高，導(dǎo)致載流子很難進(jìn)一步激發(fā)到更高的雜質(zhì)能級(jí)。當(dāng)壓力趨近于13.0 G

4、Pa時(shí)，兩部分激活能差值趨于0，此時(shí)典型的半導(dǎo)體行為消失，能量勢(shì)壘不存在。⑷GaAs的第一性原理計(jì)算：從焓隨壓力的變化關(guān)系可知，在12GPa發(fā)生zb→Cmcm的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算說明，Cmcm相能帶穿過費(fèi)米能級(jí)，為金屬相。態(tài)密度計(jì)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(dòng)進(jìn)入費(fèi)米能級(jí)，并且在費(fèi)米能級(jí)處發(fā)生強(qiáng)烈耦合。差分電荷密度計(jì)算則說明在zb相中，主要表現(xiàn)為共價(jià)性，電子局域性較強(qiáng)；Cmcm相