[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究使用局域密度近似（LDA）和原子轨道线性组合（LCAO）方法，基于Bagayoko-Zhao-Williams方法（BZW方法），计算了纤锌矿相和闪锌矿相氮化镓（GaN）的电子性质及相关性质。计算结果与实验数据高度一致，特别是纤锌矿相GaN的带隙为3.29 eV，闪锌矿相GaN的带隙为2.9 eV，显著优于大多数以往的密度泛函理论（DFT）计算结果。

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.

研究动机与目标

• 使用基于DFT的先进方法，精确计算纤锌矿相和闪锌矿相GaN的电子性质。
• 解决传统从头算DFT计算中对GaN带隙系统性低估的长期问题。
• 验证BZW-EF方法在预测宽禁带半导体可靠电子结构方面的有效性。
• 为两种相的GaN提供与实验测量高度一致的基准计算结果。
• 为未来GaN基光电器件的理论研究提供可靠的理论框架。

提出的方法

• 在密度泛函理论（DFT）框架内采用局域密度近似（LDA）势。
• 应用原子轨道线性组合（LCAO）形式化方法进行电子结构计算。
• 实施Bagayoko、Zhao与Williams（BZW）方法，并由Ekuma和Franklin改进为BZW-EF方法，以提高计算精度。
• 采用自洽方法确定电子能带、总态密度（DOS）和部分态密度（pDOS）。
• 计算纤锌矿相和闪锌矿相GaN中电子和空穴的有效质量。
• 为闪锌矿相采用室温下的晶格常数，以确保与实验结果的合理比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 与实验数据相比，BZW-EF方法在预测纤锌矿相GaN电子能带结构方面的准确性如何？
• RQ2 使用BZW-EF方法计算的闪锌矿相GaN带隙是多少？与实验结果相比如何？
• RQ3 为何传统DFT计算系统性地低估GaN带隙？BZW-EF方法能否纠正此问题？
• RQ4 两种GaN相的总态密度（DOS）和部分态密度（pDOS）在多大程度上与实验观测结果一致？
• RQ5 使用该方法计算的纤锌矿相GaN和闪锌矿相GaN中载流子的有效质量与实验值相比如何？

主要发现

• 纤锌矿相GaN的计算带隙为3.29 eV，与实验值高度一致，显著高于大多数以往的从头算DFT计算结果。
• 对于闪锌矿相GaN，采用室温晶格常数计算得到的带隙为2.9 eV，是目前最接近实验值的从头算DFT结果。
• 两种GaN相的电子能带、总态密度（DOS）和部分态密度（pDOS）均与实验数据良好吻合。
• 通过BZW-EF方法，电子和空穴的有效质量在两种结构中均被一致且可靠地预测。
• 本研究证明，BZW-EF方法能够克服标准DFT实现中普遍存在的带隙低估问题。
• 结果证实，BZW-EF方法在预测GaN等宽禁带III族氮化物半导体电子性质方面具有强大鲁棒性和高精度。