Ⅲ族氮化物半导体的晶体结构和能带研究

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：二氧化碳灭火器在扑救流散流体火灾时，应使二氧化碳射流由近而远向火焰喷射，如果燃烧面积较大，操作者可左右摆动喷筒，直至把火扑灭。图1.1.2纤锌矿型结构晶体的第一布里渊区示意图[3]图1.1.3给出了由第一性原理计算出的三种典型纤锌矿结构Ⅲ族氮化物材料Ga N、Al N和In N的能带图,图中符号与图1.1.2中的符号意义相同。室温下,GaN、Al N和In N的禁带宽度分别为3.4 eV、6.2 e V和0.64 e V。图1.1.3纤锌矿型Ⅲ族氮化物的能带结构图[4]

半导体的许多电学和光学的物理性质都取决于半导体中电子的状态和能带,而半导体的晶体结构直接决定了电子的状态和能带的形状。因此,对任何一种半导体材料,要了解其物理性质,首先应该明确材料的晶体结构。

Ⅲ族氮化物半导体材料主要包括氮化镓(GaN)、氮化铝(Al N)、氮化铟(In N)以及它们的多元合金,如三元合金AlGa N、GaIn N、AlIn N和四元合金AlGaIn N等。其可能的晶体结构主要包括三种类型,分别是具有六方对称性的纤锌矿(WZ)型结构、具有立方对称性的闪锌矿(ZB)型结构和氯化钠(NaCl)型结构,这三种结构所属空间群的对称性依次升高[1-2]。一般情况下,纤锌矿型结构是Ⅲ族氮化物半导体呈现的最稳定和最常见的晶体结构。纤锌矿型结构是由两套六角结构套构而成,其中的原子以双原子层形式在[0001]方向按照ABAB……的顺序堆积。闪锌矿型结构的Ⅲ族氮化物处于亚稳状态。闪锌矿型结构与金刚石型结构类似,是由两种原子各自组成的面心立方晶格沿空间对角线彼此位移对角线长度的四分之一空间套构而成的复式晶格。闪锌矿型结构的(111)面是以双原子层的形式按ABCABC……的顺序堆积起来的。氯化钠型结构也是由两种面心立方晶格彼此沿空间对角线位移套构成的复式格子,位移量是对角线二分之一的长度。这种结构在Ⅲ族氮化物半导体材料中较少见,只有在某些特殊情况下才存在。例如,在高压力下,材料可能从纤锌矿型结构相变为氯化钠型结构[3]。如图1.1.1所示为纤锌矿型结构、闪锌矿型结构和氯化钠型结构的晶格示意图。由于纤锌矿型结构是最稳定的,所示Ⅲ族氮化物半导体材料的外延生长和器件制备主要在纤锌矿型结构中展开,但外延过程中可能出现的局部原子排列紊乱也会导致闪锌矿型结构的出现。

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图1.1.1　Ⅲ族氮化物半导体的晶体结构示意图

晶体的能带结构与晶体第一布里渊区的形状密切相关,如图1.1.2给出了在Ⅲ族氮化物半导体中最常用的纤锌矿型结构的第一布里渊区形状。在波矢空间中,它是一个正六角柱体,图中的符号表示某些高对称点及对称轴。各点坐标如下所示:

Γ: pagenumber_ebook=8,pagenumber_book=1 ,是布里渊区中心。

A pagenumber_ebook=9,pagenumber_book=2 ,是[0001]轴与第一布里渊区边界交点。

M:,是轴与第一布里渊区边界交点。

K:,是轴与第一布里渊区边界交点。

L: pagenumber_ebook=9,pagenumber_book=2 ,是轴与第一布里渊区边界交点。

H,是轴与第一布里渊区边界交点。

Δ:表示[0001]轴。Σ:表示]轴。T:表示轴。

S、S′、T′、U、P、R分别表示A—H、L—H、M—K、M—L、K—H、A—L轴。

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图1.1.2　纤锌矿型结构晶体的第一布里渊区示意图[3]

图1.1.3给出了由第一性原理计算出的三种典型纤锌矿结构Ⅲ族氮化物材料Ga N、Al N和In N的能带图,图中符号与图1.1.2中的符号意义相同。从能带图中可见,纤锌矿型结构的GaN、Al N和In N均为直接带隙半导体材料,其导带能量最小值与价带能量最大值都位于布里渊区中心的Γ点。室温下,GaN、Al N和In N的禁带宽度分别为3.4 eV、6.2 e V和0.64 e V。

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图1.1.3　纤锌矿型Ⅲ族氮化物的能带结构图[4]

Ⅲ族氮化物半导体的晶体结构和能带研究

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