[논문 리뷰] Calculated Electronic and Related Properties of Wurtzite and Zinc Blende Gallium Nitride (GaN)

Yacouba Issa Diakité, Sibiry D. Traoré외 4명|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 03.

GaN-based semiconductor devices and materials참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 국부 밀도 근사(LDA)와 원자 오비탈의 선형 조합(LCAO)을 사용한 Bagayoko-Zhao-Williams 방법(BZW)을 통해 투명한 아연 블랜드와 아연 블랜드 구조의 질화갈륨(GaN)의 전자적 및 관련 성질을 계산한다. 실험 데이터와 뛰어난 일치를 이룩하였으며, 특히 w-GaN의 3.29 eV, zb-GaN의 2.9 eV band gap는 기존의 대부분의 DFT 결과보다 실험값에 훨씬 가까운 수준이다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고도로 발전된 DFT 기반 방법을 사용하여 wurtzite 및 zinc blende GaN의 전자적 성질을 정확히 계산하는 것.
• 기존의 ab initio DFT 계산에서 GaN의 밴드 갭이 체계적으로 과소 평가되는 문제를 해결하는 것.
• BZW-EF 방법이 넓은 금속간 밴드 갭 반도체의 신뢰할 수 있는 전자 구조를 예측하는 데 효과적인지를 검증하는 것.
• 실험 측정치와 매우 밀접하게 일치하는 두 상태의 GaN에 대한 기준 결과를 제공하는 것.
• 향후 GaN 기반 옵티오일렉트로닉 장치에 대한 연구를 위한 신뢰할 수 있는 이론적 프레임워크를 제공하는 것.

제안 방법

• 밀도-functional 이론(DFT) 내에서 국부 밀도 근사(LDA) 포텐셜을 사용하였다.
• 전자 구조 계산을 위해 원자 오비탈의 선형 조합(LCAO) 형식을 적용하였다.
• Bagayoko, Zhao, Williams(BZW) 방법을 Ekuma와 Franklin에 의해 개선된 BZW-EF 방법으로 구현하여 정확도를 향상시켰다.
• 전자 에너지 밴드, 총 밀도 및 부분 밀도 상태(DOS 및 pDOS)를 결정하기 위해 자가 일관성 방법을 사용하였다.
• wurtzite 및 zinc blende GaN 구조에서 전자 및 정공의 효율 질량을 계산하였다.
• 실험과의 현실적인 비교를 확보하기 위해 실온에서의 격자 상수를 zb-GaN에 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 BZW-EF 방법은 실험 데이터와 비교해 볼 때 wurtzite GaN의 전자 밴드 구조를 얼마나 정확히 예측하는가?
• RQ2 BZW-EF 접근법을 사용하여 계산된 zinc blende GaN의 밴드 갭은 얼마이며, 실험 결과와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 기존의 DFT 계산은 왜 GaN의 밴드 갭을 체계적으로 과소 평가하는가? BZW-EF 방법은 이 문제를 어떻게 수정할 수 있는가?
• RQ4 두 GaN 상에 대한 총 밀도 상태(DOS) 및 부분 밀도 상태(pDOS)는 실험 관측 결과를 어느 정도 반영하는가?
• RQ5 이 방법을 사용하여 w-GaN 및 zb-GaN에서의 전하 운반자의 효율 질량은 실험 값과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• wurtzite GaN의 계산된 밴드 갭은 3.29 eV로 실험 값과 뛰어난 일치를 보이며, 대부분의 이전 ab initio DFT 결과보다 훨씬 크다.
• 실온에서의 격자 상수를 사용하여 계산된 zinc blende GaN의 밴드 갭은 2.9 eV로 실험 값에 가장 가까운 ab initio DFT 결과이다.
• 두 GaN 상에 대한 전자 에너지 밴드, 총 밀도 상태(DOS), 부분 밀도 상태(pDOS)는 실험 데이터와 양호한 일치를 보인다.
• BZW-EF 방법을 통해 전자 및 정공의 효율 질량은 두 구조 모두에서 높은 신뢰성으로 일관되게 예측되었다.
• 이 연구는 BZW-EF 방법이 표준 DFT 구현에서 흔히 발생하는 밴드 갭 과소 평가 문제를 극복할 수 있음을 입증한다.
• 결과는 GaN과 같은 넓은 금속간 밴드 갭 III-질화물 반도체에서 전자적 성질을 예측하는 데 BZW-EF 접근법의 강력함과 정확성을 확인한다.