合金调制的宽带隙氮化物能带结构及其p型掺杂研究

氮化物半导体AlN、GaN和InN以及它们所组成的三元化合物AlGaN、AlInN、InGaN和四元化合物AlInGaN，在光电子、微电子及全光谱固态白光照明等方面的巨大应用价值，引起了人们广泛的关注。但做为宽带隙半导体材料，其物性特别是p型掺杂性质仍需深入研究理解。本项目应用第一性原理计算，结合能带工程的方法，研究通过形成合金进行能带调制，改变材料能带结构，改进材料的掺杂性质。首先研究三元以及四元合金的带隙－组分变化关系，给出材料的扭曲系数，得到合金带隙随组分的变化关系；其次结合缺陷掺杂理论，计算各种p型掺杂元素如Be、Mg、C、Ca、Zn、Cd等在不同带隙的合金中p型掺杂时的掺杂形成能、掺杂形态和杂质能级；最后应用合金调制GaN材料的能带结构和带边位置，改进材料p型掺杂性质，研究适用于不同发光需求光电子器件的最佳带隙和掺杂浓度。为实验研究和光电子器件的应用提供理论依据。

Ⅲ－Ⅴ组半导体，如GaN, GaAs等，是目前除Si外应用最多最广泛的半导体材料。它们在光电子、微电子及全光谱固态白光照明等方面都有这的巨大应用价值。作为光电应用，深入理解和研究它们的带隙以及缺陷掺杂性质对其应用是非常重要和必须的。本课题以GaN和GaAs材料为对象，重点研究了半导体合金材料的组分和带隙的变化关系，以及其对缺陷性质和光电特性的影响。. 项目针对申请书内容应用第一性原理计算的方法研究了三元、四元合金的组分－带隙关系，以及缺陷态位置，光学性质等。项目主要计算研究了三元合金如AlInN组分－带隙变化关系，四元合金中组分对合金带隙的影响、缺陷态位置，以及合金的光学性质等。比如对三元AlInN合金的研究，我们用杂化密度泛函的方法在克服传统DFT计算时带隙偏小问题的基础上，计算了不同组分时带隙的大小，给出了对应组分的扭曲系数，并详细讨论了不同杂化泛函计算参数和带隙的关系。对四元合金GaNAsBi的计算，我们仔细讨论分析了在合金中Bi元素的6p轨道和N元素的2s轨道对合金带隙变化的影响，以及所引起的缺陷态在带隙中的相对位置，分析讨论了它们在合金带隙变小中的原因机制，最后还计算给出了合金的光学性质参数，指出这种合金将是一种很好的长波长红外器件应用材料。除此之外，项目组结合郑州大学材料物理实验室的实验工作还开展了宽带隙半导体ZnO以及Y2Mo3O12的负膨胀性质和机理的研究。另外在储氢材料和分子动力学方法研究纳米体系和摩擦方面也开展了一些合作研究，为研究工作开拓了研究领域和研究思路。. 在项目的资助下，通过三年的研究，达到了一定的研究目的，取得了一些成果。项目执行期间以第一、第二和通讯作者在SCI期刊上共计发表论文17篇。培养硕士研究生4名，其中毕业1名，在读3名。协助培养毕业硕士研究生2名。