BaTiO-,3--GaN異質(zhì)結(jié)的電子結(jié)構(gòu)和二維電子氣特性研究.pdf

1、本文基于第一性原理計(jì)算軟件CASTEP和電荷控制模型主要研究由典型鐵電材料BaTiO3、半導(dǎo)體材料GaN構(gòu)成的BaTiO3-GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在理論層次上對(duì)其電子結(jié)構(gòu)和二維電子氣(2DEG)特性進(jìn)行探索性研究，為鐵電-半導(dǎo)體器件的研制提供理論參考。 首先，本文針對(duì)基態(tài)下BaTiO3(001)、(111)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)3C-GaN(001)、(110)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)2H-GaN(0001)、(000-1)表面，從能帶結(jié)構(gòu)、態(tài)密度等方面進(jìn)

2、行了詳細(xì)分析，其中BaTiO3(001)表面的TiO2終端因Ti原子懸掛鍵的存在，引入表面態(tài)，其穩(wěn)定性下降。BaO終端表面經(jīng)弛豫后的禁帶寬度為1.761eV，與體結(jié)構(gòu)值1.804eV相近：而TiO2終端表面最后禁帶寬度僅為0.745eV，遠(yuǎn)低于體結(jié)構(gòu)值。BaTiO3極性表面(111)的BaO3終端表面的穩(wěn)定性較好，弛豫前后禁帶寬度沒(méi)有明顯變化。GaN各種表面由于相結(jié)構(gòu)、終端原子、極化取向的不同，特性差異較大，其中3C-GaN(001)兩

3、種終端表面和2H-GaN(000-1)弛豫后都呈現(xiàn)出金屬特性，而3C-GaN(110)和2H-GaN(0001)表面弛豫后都表現(xiàn)出半導(dǎo)體特性。另外，2H-GaN(0001)表面弛豫后形成了與石墨類似的層狀結(jié)構(gòu)。 其次，從界面原子結(jié)構(gòu)出發(fā)深入討論了BaTiO3/GaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電子特性：對(duì)于BaTiO3(001)TiO2終端/3C-GaN(001)Ga終端形成的異質(zhì)結(jié)來(lái)說(shuō)，BaTiO3層原子形成張應(yīng)變，立方BaTiO3結(jié)構(gòu)就趨于形

4、成四方鐵電相結(jié)構(gòu)。在界面處，Ti、Ga原子不能成鍵，Ga、O原子之間也不能成鍵。而在2H-GaN(0001)N終端面上外延生長(zhǎng)BaTiO3(111)Ti終端，BaTiO3形成較小的壓應(yīng)變，但并不產(chǎn)生晶格畸變，且在導(dǎo)帶區(qū)域里有2.23eV的“贗帶隙”。Ti-3d、N-2p軌道之間存在著一定的弱雜化作用，可以成鍵。其兩種異質(zhì)結(jié)構(gòu)都呈現(xiàn)出金屬特性。 接著，基于第一性原理，建立了應(yīng)變、極化下異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料物理參數(shù)獲取方法。在上述方法基礎(chǔ)上

5、，就BaTiO3(111)與2H-GaN(0001)形成的異質(zhì)結(jié)而言，BaTiO3電子有效質(zhì)量mn*在GaN作用的雙軸應(yīng)變下減小42％；BaTiO3上的應(yīng)變GaN電子有效質(zhì)量減小10％。BaTiO3(111)/2H-GaN(0001)異質(zhì)結(jié)的價(jià)帶帶階△Ev約為0.77eV，導(dǎo)帶帶階△Ev約為0.47eV。鐵電BaTiO3/半導(dǎo)體GaN這種新型異質(zhì)結(jié)構(gòu)基本參數(shù)的獲取為本項(xiàng)目異質(zhì)結(jié)構(gòu)性能的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提供了先決條件。 最后，在第一性原理

6、獲得異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料參數(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合鐵電極化隨外加電場(chǎng)的依賴關(guān)系，利用電荷控制模型原理建立起鐵電/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)層間交換耦合物理模型。研究了三種典型鐵電/半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)構(gòu)(鐵電/GaN、鐵電/AlGaN/GaN和AlGaN/GaN/鐵電)的二維電子氣2DEG特征。發(fā)現(xiàn)鐵電/GaN結(jié)構(gòu)較AlGaN/GaN更易形成增強(qiáng)型器件，大的鐵電極化可誘導(dǎo)產(chǎn)生極高濃度的二維載流子氣(2DCG)。鐵電/AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)中，正的鐵電極化使GaN溝道的2D