[论文解读] Comments on "Band gap and band parameters of InN and GaN from quasiparticle energy calculations based on exact-exchange density-functional theory" [Appl. Phys. Lett. 89, 161919 (2006)]

Diola Bagayoko, Lashounda Franklin+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2011

GaN-based semiconductor devices and materials被引用 5

一句话总结

本文挑战了2006年关于密度泛函理论（DFT）无法描述InN和GaN电子性质的主张，认为先前的局域密度近似（LDA）计算正确预测了带隙及相关性质。本文证明，先前研究中已准确报告了纤锌矿和立方InN以及纤锌矿GaN的自洽LDA解，从而驳斥了DFT在这些材料上存在根本性局限的观点。

ABSTRACT

An oversight of some previous density functional calculations of the band gaps of wurtzite and cubic InN and of wurtzite GaN by Rinke et al. [Appl. Phys. Lett. 89,161919, 2006] led to an inaccurate and misleading statement relative to limitations of density functional theory (DFT) for the description of electronic properties of these materials. These comments address this statement. In particular, they show that some local density approximation (LDA) calculations have correctly described or predicted electronic and related properties of these systems [Phys. Rev. B 60, 1563, 1999; J. Appl. Phys. 96, 4297, 2004, and 97, 123708, 2005]. These successful calculations solved self-consistently the system of equations defining LDA, i.e., the Kohn-Sham equation and the equation giving the ground state charge density in terms of the wave functions of the occupied states.

研究动机与目标

• 纠正2006年《Appl. Phys. Lett.》论文中对DFT在InN和GaN中失效的错误表述。
• 强调早期LDA计算正确描述了纤锌矿和立方InN以及纤锌矿GaN的带隙和电子性质。
• 强调LDA中Kohn-Sham方程和电荷密度方程的自洽解在这些材料中是有效的。
• 反驳基于对先前工作的错误解读而提出的DFT在这些III族氮化物半导体中本质上失效的论断。

提出的方法

• 分析Rinke等人2006年的研究，识别其在评估先前DFT工作时存在的关键疏漏。
• 回顾并引用三篇先前研究（Phys. Rev. B 60, 1563；J. Appl. Phys. 96, 4297；J. Appl. Phys. 97, 123708），这些研究成功将LDA应用于InN和GaN。
• 验证这些早期研究已自洽求解Kohn-Sham方程，包括由占据态波函数得到的基态电荷密度。
• 证明当正确实施时，LDA方法可准确预测纤锌矿和立方InN以及纤锌矿GaN的电子结构。
• 通过直接比较结果，表明早期LDA结果与实验数据一致。
• 认为2006年论文关于DFT局限性的结论缺乏根据，因其未充分考虑先前有效的LDA工作。

实验结果

研究问题

• RQ1 Rinke等人2006年的研究是否准确反映了LDA在预测InN和GaN带隙方面的能力？
• RQ2 早期对InN和GaN电子性质的LDA计算是否为自洽求解且具有物理意义？
• RQ3 某些DFT方法的失败是否意味着DFT在III族氮化物半导体中存在根本性局限？
• RQ4 LDA能否准确描述纤锌矿和立方InN以及纤锌矿GaN的能带结构？
• RQ5 基于先前工作的说法，即DFT无法描述这些材料的电子性质，其有效性如何？

主要发现

• Rinke等人2006年的研究错误地声称DFT在InN和GaN中失效，原因在于忽视了先前的LDA工作。
• 先前对纤锌矿和立方InN以及纤锌矿GaN的LDA计算正确预测了其带隙和电子性质。
• 早期研究中已成功实现LDA下Kohn-Sham方程和电荷密度方程的自洽解。
• 1999年《Phys. Rev. B》、2004年《J. Appl. Phys.》和2005年《J. Appl. Phys.》的研究准确描述了这些材料的电子结构。
• 声称DFT无法描述这些体系的说法缺乏根据，且与早期正确实现的LDA结果相矛盾。
• 本文确认，当正确应用时，LDA仍是预测InN和GaN电子性质的有效且准确的方法。