ZnCd掺杂AlN电子结构的第一性原理计算-发光学报.PDF

第３０卷　第３期 发　光　学　报 Ｖｏｌ３０ Ｎｏ３ ２００９年６月 ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＵＭＩＮＥＳＣＥＮＣＥ Ｊｕｎ．，２００９ 文章编号：１０００７０３２（２００９）０３０３１４０７ Ｚｎ，Ｃｄ掺杂ＡｌＮ电子结构的第一性原理计算  董玉成，郭志友 ，毕艳军，林　竹 （华南师范大学 光电子材料与技术研究所，广东 广州　５１０６３１） 摘要：基于密度泛函理论（ＤＦＴ）框架下的第一性原理的平面波超软赝势方法（ＵＳＰＰ），对Ｚｎ，Ｃｄ掺杂ＡｌＮ的 ３２原子超原胞体系进行了几何结构优化，从理论上给出了掺杂和非掺杂体系的晶体结构参数。计算了掺杂 ＡｌＮ晶体的结合能、电子态密度、差分电荷密度，并对计算结果进行了细致的分析。计算结果表明，Ｃｄ、Ｚｎ都 可以提供很多的空穴态，是良好的ｐ型掺杂剂，但是相对于Ｃｄ，Ｚｎ原子在ＡｌＮ晶体中的溶解度更大，并且可 以提供更多的空穴，有利于形成更好的ｐ型电导。 关　键　词：氮化铝；ｐ型掺杂；密度泛函理论；电子结构 中图分类号：Ｏ４７１．５　　　ＰＡＣＳ：７１．１５．Ｍｂ　　　ＰＡＣＣ：７１１５Ａ；７１１５Ｍ；７１１５Ｈ　　　文献标识码：Ａ 近年来，人们对于ＡｌＮ薄膜以及不同金属元 １　引　　言 素掺杂的ＡｌＮ薄膜进行了深入的研究。目前，研 氮化铝（ＡｌＮ）是一种新型的  族直接带 究者已经成功地完成了Ｓｉ掺杂的ＡｌＮ中的ｎ型 Ⅲ Ⅴ ［１］ ［９］ ［１０］ 隙宽禁带 化合物半导体材料，在常温常压下是 传导 ，具有很强的电导特性。最近，Ｎｅｐａｌ等 稳定的六方纤锌矿结构。ＡｌＮ的许多物理特性具 用Ｚｎ掺杂实现了ＡｌＮ的ｐ型掺杂。但由于当前 有极其广泛的应用前景。如 ＡｌＮ具有高击穿场 使用的ｐ型掺杂剂的掺杂效率很低，具有比较低 强、高电阻率、高热导率、高热传导性和高化学稳 的量子化能量，因此，必须进一步探求作为可选择 定性，可用于电子器件、集成电路封装、介质隔离 的受主成分。 和绝缘材料，尤其适用于高温高功率器件。ＡｌＮ 第一性原理赝势计算法已经广泛应用于材料 具有优良的压电性、高的声波表面波传播速率和 模拟［１１，１２］。本文采用基于密度泛函理论的第一 较高的机电耦合系数，是ＧＨｚ级声表面器件的优 性原理平面波赝势法（ＰＷＰ）对 Ｚｎ，Ｃｄ掺杂 ＡｌＮ ［２］ 的３２原子超原胞体系进行了几何结构优化，从理 选压电材料 。此外，ＡｌＮ还易与ＧａＮ、ＳｉＣ等发 光材料形成固熔体或作为缓冲层外延高质量的 论上给出了掺杂和非掺杂体系的晶体结构参数。 ［３，４］ 对ＡｌＮ晶体的结合能、总体态密度、集居数以及 ＧａＮ 和ＳｉＣ薄膜，在此基础上制备的ＧａＮ／异 质结与ＳｉＣ／ＡｌＮ（ＳｉＣＯＩ）具有更优异的性能。ＡｌＮ 差分电荷密度进行了模拟计算，并对计算结果进 是一种直接带隙半导体材料，其禁带宽度为６．２ 行了细致的分析。计算结果表明，由于Ｃｄ，Ｚｎ在 ［５］ ［６］ ＡｌＮ晶体中可以提供更多的空穴，有利于形成更 ｅＶ ，是重要的蓝光、紫外发光材料 。ＡｌＮ是 目前制作短波长的紫外发光二极管，一种高效率 好的ｐ型电导。