[論文レビュー] Calculated Electronic and Related Properties of Wurtzite and Zinc Blende Gallium Nitride (GaN)

Yacouba Issa Diakité, Sibiry D. Traoré+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2014

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、局所密度近似（LDA）と原子軌道の線形結合（LCAO）を用いたBagayoko-Zhao-Williams法（BZW法）を用いて、ウルツァイト相および亜鉛鉛鋳鉛相窒化ガリウム（GaN）の電子的および関連する性質を計算した。実験データと優れた一致を示し、特にウルツァイト相GaNのバンドギャップが3.29 eV、亜鉛鉛鋳鉛相GaNが2.9 eVであり、従来のDFT計算と比較して実験値にはるかに近い結果を得た。

ABSTRACT

We report calculated, electronic and related properties of wurtzite and zinc blende gallium nitrides (w-GaN, zb-GaN). We employed a local density approximation (LDA) potential and the linear combination of atomic orbital (LCAO) formalism. The implementation of this formalism followed the Bagayoko, Zhao, and Williams (BZW) method, as enhanced by Ekuma and Franklin (BZW-EF). The calculated electronic and related properties, for both structures of GaN, are in good agreement with corresponding, experimental data, unlike results from most previous ab initio calculations utilizing a density functional theory (DFT) potential. These results include the electronic energy bands, the total and partial densities of states (DOS and pDOS), and effective masses for both structures. The calculated band gap of 3.29 eV, for w-GaN, is in agreement with experiment and is an average of 1.0 eV larger than most previous ab-initio DFT results. Similarly, the calculated band gap of zb-GaN of 2.9 eV, for a room temperature lattice constant, is the ab-initio DFT result closest to the experimental value.

研究の動機と目的

• 先進的なDFTに基づく手法を用いて、ウルツァイト相および亜鉛鉛鋳鉛相GaNの電子的性質を高精度に計算すること。
• 従来のab initio DFT計算で見られるGaNバンドギャップの系統的かつ顕著な過小評価を是正すること。
• BZW-EF法が、広帯ギャップ半導体の信頼できる電子構造を予測する有効性を検証すること。
• 実験測定値とよく一致するGaN両相のベンチマーク結果を提供すること。
• 将来的なGaNベースの光エレクトロニクス素子に関する研究のための信頼できる理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 密度汎関数理論（DFT）における局所密度近似（LDA）ポテンシャルを用いた。
• 電子構造計算に原子軌道の線形結合（LCAO）形式を適用した。
• Bagayoko, Zhao, and Williams（BZW）法を、EkumaとFranklinによって改良されたBZW-EF法を用いて、精度を向上させた。
• 自己無撞着なアプローチを用いて、電子エネルギー準位、全密度および部分密度状態（DOSおよびpDOS）を決定した。
• ウルツァイト相および亜鉛鉛鋳鉛相GaN構造における電子および正孔の有効質量を計算した。
• 実験との現実的な比較を保証するため、室温での格子定数を亜鉛鉛鋳鉛相に適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 BZW-EF法は、実験データと比較して、ウルツァイト相GaNの電子バンド構造をどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 BZW-EF法を用いた場合、亜鉛鉛鋳鉛相GaNのバンドギャップはどのようになるか？また、実験値と比較してどうなるか？
• RQ3 従来のDFT計算がなぜGaNバンドギャップを系統的に過小評価するのか？BZW-EF法はこの問題を是正できるか？
• RQ4 両相の全密度状態（DOS）および部分密度状態（pDOS）は、実験的観察とどの程度一致するか？
• RQ5 本手法を用いた場合、ウルツァイト相GaNおよび亜鉛鉛鋳鉛相GaNにおける電荷キャリアの有効質量は、実験値とどの程度一致するか？

主な発見

• ウルツァイト相GaNの計算バンドギャップは3.29 eVであり、実験値と優れた一致を示し、従来のab initio DFT計算の多くよりも顕著に大きい。
• 室温での格子定数を用いた場合、亜鉛鉛鋳鉛相GaNのバンドギャップは2.9 eVであり、実験値に最も近いab initio DFT結果である。
• 両相の電子エネルギー準位、全密度状態（DOS）、および部分密度状態（pDOS）は、実験データと良好に一致している。
• BZW-EF法を用いることで、両構造における電子および正孔の有効質量が一貫して高い信頼性で予測された。
• 本研究では、標準的なDFT実装でよく知られたバンドギャップ過小評価問題をBZW-EF法が克服できることを示した。
• 結果から、BZW-EF法がGaNのような広帯ギャップ窒化物半導体の電子的性質を予測する上で、強固で高精度であることが確認された。