InGaN材料特性 文档.docx

InGaN材料特性 InGaN 为第三代半导体材料，目前是人们研究的热点，它主要应用于光电器件和高温、高频、大功率器件。InN的禁带宽度为0.7eV，这就意味着通过调节InGaN三元合金的In组分，可使其禁带宽度从0.7eV(InN)到3.4eV(GaN)连续可调，其对应的吸收光谱的波长从紫外部分(365nm)可以一直延伸到近红外部分(1770nm)，几乎完整地覆盖了整个太阳光谱，因此InGaN在太阳电池中的应用引起了人们密切的关注。除了波长范围与太阳光谱匹配良好外，InGaN和常规的Si、GaAs等太阳电池材料相比，还有许多优点：第一，它是直接带隙材料，其吸收系数比Si、GaAs高一、两个数量级，这就意味着InGaN太阳电池可以做的更薄、更轻，从而节约成本，特别是应用于航天的太阳电池，减轻重量非常重要；第二，InN和GaN 的电子迁移率都较高，有利于减小复合，而提高太阳电池的短路电流；第三，InGaN的抗辐射能力比Si、GaAs等太阳电池材料强，更适合应用于强辐射环境。实验证明，GaAs/Ge太阳电池在2×1012MeV/g的质子轰击后， 其最大功率降低了90%，而InGaN在高能粒子轰击后，光学、电学特性的退化不明显。第四，InGaN特别适合制作多结串联太阳电池。由于调节In组分可连续改变InGaN的带隙宽度，因此在同一生长设备中，通过改变In组分就可生长成多结InGaN太阳电池结构，比目前用几种不同的半导体材料制备多结太阳电池方便了许多。并且由于In组分连续可调，能够达到设计的理想禁带宽度组合，而易获得更高的转换效率。但是，由于高In组分的高质量InGaN薄膜的生长技术还有许多难点，目前尚未见到国内外成功制备InGaN太阳电池的文献报道。 本文通过阅读相关文献，对InGaN的生长方法、材料特性和性能表征做一总结。 一、理论预测 陆稳等人利用第一性原理密度泛函理论(DFT)的广义梯度近似(GGA)平面波赝势法，对理想GaN以及In组分下的GaN基三元固溶体化合物的电子结构和光学性质进行了理论计算，其理论模型、计算方法及结果如下： 1 理论模型及计算方法 采用英国剑桥大学凝聚态理论研究组开发的计算软件包CASTEP，基于密度泛函理论框架下的第一性原理计算方法对各项数据进行计算，采用纤锌矿结构模型，对其在不同情形下的性质进行了研究。 第一性原理，即从最基本的物理规律出发，求解体系的薛定谔(Schrodinger)方程以获取材料性能的信息，从而理解材料中出现的一些 现象，预测材料的性能。除原子构型外，它不需要任何经验参数，只需要知道构成微观体系各元素的原子序数，而不需要任何可调（经验或拟合）参数，就可以基于量子力学来处理体系中的电子运动，计算出该微观体系电子的波函数和对应的本征能量，从而求得系统的总能量、电子结构以及成键、弹性、稳定性等性质。其基本思想是：将多原子构成的体系理解 为由电子和原子核组成的多粒子体系，并根据量子力学的基本原理最大限度地对问题进行“非经验性”处理。概括地讲，就是在正确描述电子状态和作用于原子间的力的基础上进行分子动力学模拟的方法。如果发生等离子体振荡、电离和中和、电子跃迁、隧道效应，以及电流之类的电子运动状态的变化，则由于原子核的作用，电子密度分布也随着发生变化。由于电子比原子核轻得多，所以电子运动状态的变化远比原子核的运动变化快。从而可以认为，考虑电子运动时原子核是处在它们的瞬时位置上，而考虑原子核的运动时则不必考虑电子在空间的密度分布变化。这就是玻恩(M.Born)和奥本海默(J.E.Oppenheimer)提出的绝热近似或称玻恩-奥本海默近似。根据这样的近似，将多电子体系电子组态的计算和进行分子动力学方法处理的部分完全分开则是可能的。这时，用第一性原理分子动力学方法计算的过程是，以多种时间步长（时间间隔）正确地求出体系的电子状态，并通过更换原子位置计算作用于每个原子核上的力，根据作用在原子实上的力来调整原子的位置，重复迭代，直至作用于原子实上的力为零，得到稳定结构。 密度泛函理论就是在Hohenberg-Kohn定理的基础上，将多电子问题转化为单电子问题，建立起的对单电子问题严格的求解。Hohenberg-Kohn定理可总结为：(1)定理一：不计自旋的全同费密子系统的基态能量是粒子数密度函数ρ(r)的唯一泛函。(2)定理二：能量泛函E[ρ]在粒子数不变的条件下，对正确的粒子数密度函数取极小值，并等于基态能量。 CASTEP是由剑桥大学卡文迪西实验室的凝体理论组所发展出来解量子力学的程序。具体地说，凡给定一初始的原子排列，CASTEP就能解出此系统最时的基态电子分布、系统总能量以及各原子的受力。由于量子力学可以精确地描述原子间的交互作用，CASTEP根据原子的受力情形来移动原子，进行分子动力学的模拟