GaAs基合金材料氧吸附问题的第一性原理研究

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1、学号：S15010089硕士学位论文GaAs基合金材料氧吸附问题的第一性原理研究研究生姓名：刘晓敏学科、专业：电子科学与技术二○一八年四月摘要Al0.5Ga0.5As材料因具有各种优异的特性成为各种器件结构的优选材料，而被广泛地应用在众多领域。然而Al0.5Ga0.5As材料极易被氧化，并在表面产生表面态，严重影响了器件的光电特性以及稳定性。到目前为止，对于Al0.5Ga0.5As材料表面态的问题，有相关的实验报导，而缺乏理论方面的计算。针对这个情况，本论文以密度泛函理论(DFT)为基础理论，通

2、过第一性原理计算的方法在ViennaAbInitioSimulationPackage(VASP)软件中作了如下内容的研究：首先，构建Al0.5Ga0.5As和Al0.5Ga0.5As(001)β2(2×4)的结构模型，分别计算了Al0.5Ga0.5As和Al0.5Ga0.5As(001)β2(2×4)的电学性质和光学性质。和体材料相比，表面结构的带隙更小，吸收光谱的主要吸收峰和吸收边缘均向低能端移动，且吸收峰的峰值减小，反射率更低。表面结构在电学与光学性质方面和体材料的差异，表明了研究Al0.

3、5Ga0.5As(001)β2(2×4)表面性质的重要性。其次，构建12种Al0.5Ga0.5As(001)β2(2×4)表面氧化的结构，分别计算了Al0.5Ga0.5As(001)β2(2×4)表面氧化结构的电学性质与光学性质。O原子直接吸附的氧化结构不产生带隙态；而取代表面原子的氧化结构产生带隙态，并且产生的带隙态是由As的悬挂键所致的。氧化结构的带隙态导致在0~1eV之间出现了吸收峰，且平均反射率大于清洁表面，这将严重阻碍光电子的产生。Al0.5Ga0.5As(001)β2(2×4)氧化表

4、面电学性质与光学性质的变化，说明了氧化结构的带隙态严重影响材料表面特性。最后，分别构建S和N钝化Al0.5Ga0.5As(001)β2(2×4)氧化表面的结构，计算了钝化处理的Al0.5Ga0.5As(001)β2(2×4)表面结构的电子态密度(DOS)。S钝化可以部分消除带隙态，但其钝化结构易再次氧化。N钝化可以使费米能级钉扎现象消失，减弱甚至完全消除表面态。钝化处理结构的DOS的变化，表明钝化处理具有消除氧化结构的带隙态的效果。通过本论文的理论计算，说明了表面氧化后产生表面态的根本原因，以及

5、钝化处理对材料表面的表面态的影响，为消除材料表面的表面态，提高器件的光电特性及稳定性提供了重大的理论依据。关键词：Al0.5Ga0.5As氧化表面态钝化第一性原理IABSTRACTAl0.5Ga0.5Asmaterialshavebeenwidelyusedinmanyfieldsowingtotheirexcellentproperties.However,amajordrawbackofAl0.5Ga0.5Asmaterialsiswhosesurfacecanbeoxidizedeasil

6、y,andthesurfacestatesareproduced,whichseriouslyaffectsthephotoelectricpropertiesandstabilityofthedevices.Sofar,manyexperimentalreportshavedemonstratedthesurfacestatesoftheAl0.5Ga0.5Assurface,lackingthetheoreticalcalculation,instead.Intheviewofthisque

7、stion,thisdissertationstudiesthefollowingcontentsthroughthemethodofthefirstprinciplecalculationbasedondensityfunctionaltheory(DFT),withthequantum-mechanicsprogramViennaAbInitioSimulationPackage(VASP).Firstly,thestructuresofAl0.5Ga0.5AsandAl0.5Ga0.5As

8、(001)β2(2×4)arebuilt.TheelectronicandopticalpropertiesofbulkAl0.5Ga0.5Asandits(001)surfacewithβ2(2×4)phasearecalculatedseparately.Comparedwiththebulkmaterial,thesurfacestructurehasasmallerbandgap,bothofthemainabsorptionpeakandabsorptionedgeoftheabsor