铝-金刚石界面电子特性与界面肖特基势垒的杂化密度泛函理论HSE06的研究

宽带隙半导体金刚石具有突出的电学与热学特性,近年来,基于金刚石的高频大功率器件受到广泛关注,对于金属-金刚石肖特基结而言,具有较高的击穿电压和较小的串联电阻,所以金属-金刚石这种金半结具有非常好的发展前景.本文通过第一性原理方法去研究金属铝-金刚石界面电子特性与肖特基势垒的高度.界面附近原子轨道的投影态密度的计算表明:金属诱导带隙态会在金刚石一侧产生,并且具有典型的局域化特征,同时可以发现电子电荷转移使得Fermi能级在金刚石一侧有所提升.电子电荷在界面的重新分布促使界面形成新的化学键,使得金属铝-氢化金刚石形成稳定的金半结.特别地,我们通过计算平均静电势的方法得到金属铝-氢化金刚石界面的势垒高度为1.03 eV,该值与金属诱导带隙态唯像模型计算的结果非常接近,也与实验值符合得很好.本文的研究可为金属-金刚石肖特基结二极管的研究奠定理论基础,也可为金刚石基金半结大功率器件的研究提供理论参考.

Cd对纤锌矿ZnO极化特性的影响以及Zn_(0.75)Cd_(0.25)O/ZnO界面能带偏差的第一性原理研究

基于第一性原理GGA+U方法研究了Zn1-xCdxO合金的晶格常数以及自发极化随Cd组分x的变化关系,其中极化特性的计算采用Berry-phase方法,同时计算了禁带宽度随Cd组分x的变化关系,并得到了能隙弯曲参数0.69。此外,通过计算宏观平均静电势的方法得到了(5+3)Cd0.25Cd0.75O/Zn O超晶格界面处的价带偏差为0.13 e V,导带偏差与价带偏差的比值为4/13,并且Zn1-xCdxO/Zn O界面两侧能带呈现I型排列,这些研究结果将对Zn1-x CdxO/Zn O界面二维电子气的设计与优化起到重要作用。

第一性原理的广义梯度近似＋U方法的纤锌矿Zn(1-x)MgxO极化特性与Zn(0.75)Mg(0.25)O/ZnO界面能带偏差研究

在纤锌矿结构Zn_(1-x)Mg_xO/ZnO异质结构中发现了高迁移率的二维电子气(2DEG),2DEG的产生很可能是由于界面上存在不连续极化,而且2DEG通常也被认为是由极化电荷产生的结果.为了探索2DEG的形成机理及其产生的根源,研究Zn_(1-x)MgxO合金的极化特性与ZnO/Zn_(1-x)Mg_xO超晶格的能带排列是非常必要的.基于第一性原理广义梯度近似+U方法研究了Zn_(1-x)Mg_xO合金的自发极化随Mg组分x的变化关系,其中极化特性的计算采用Berry-phase方法.由于ZnO与Zn_(1-x)Mg_xO面内晶格参数大小相当,ZnO与Zn_(1-x)Mg_xO的界面匹配度优良,所以ZnO/Zn_(1-x)Mg_xO超晶格模型较容易建立.计算了Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO超晶格静电势的面内平均及其沿着Z(0001)方向上的宏观平均.(5+3)Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO超晶格拥有较大的尺寸,确保远离界面的Mg_(0.25)Zn_(0.75)O与ZnO区域与块体计算情况一致.除此之外,基于宏观平均为能量参考,计算得到Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO超晶格界面处价带偏差为0.26 eV,并且导带偏差与价带偏差的比值处于合理区间,这与近来实验上报道的结果相符.除了ZnO在[0001]方向上产生自发极化外,由于在ZnO中引入Mg杂质会产生应变应力,导致Mg_xZn_(1-x)O层产生额外的极化值.这样必然会在Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/Zn界面处产生非连续极化现象,促使单极性电荷在界面处积累,从而在Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/Zn超晶格中产生内在电场.此外,计算了Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO超晶格的能带排列,由于价带偏差△Ev=0.26 eV与导带偏差△Ec=0.33 eV,表明能带遵循I型排列.Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO的这种能带排列方式足以让电子与空穴在势阱中产生禁闭作用.2DEG在电子学与光电子学领域都有重要应用,本文的研究结果将对Mg_(0.25)Zn_(0.75)O/ZnO界面2DEG的设计与优化中起到重要作用,并且可以作为研究其他Mg组分的Mg_xZn_(1-x)O/ZnO超晶格界面电子气特性的参考依据.

多尺度研究铜/金刚石界面电子及热传输特性

宽带隙半导体金刚石不仅具有突出的电学性质,而且还具有非常高的热导率,使其既可以耐高压又可以快速散热,因此,金刚石基大功率器件受到越来越广泛的关注.本文研究的过渡金属Cu不仅具有较高的功函数,而且在半导体工艺中被广泛使用,并且Cu与金刚石都具有优异的散热性能.因此,Cu接触金刚石已经超出寻常电极的意义,这种金属-半导体结构既可以实现界面电子特性的裁剪,也可以实现热学设计与管理的功能.在本文中,第一性原理方法被用来研究Cu/金刚石界面的电子特性.结果表明,Cu/金刚石界面的肖特基势垒高度为1.60 eV,原子层分辨的电子态密度与Bader电荷转移分析揭示了在靠近界面一两个原子层内的电子发生了重新排布,说明界面诱导电荷的重构主要是来自金属诱导带隙态.此外,根据密度泛函微扰理论、结合准简谐近似与声子玻尔兹曼输运方程,对金属Cu、金刚石以及Cu/金刚石材料体系的热学特性开展研究.结果表明,室温下金刚石与Cu的热导率分别为2501.3和410.4 W m^(−1) K^(−1),并且在散射失配模型下得到Cu/金刚石界面热导为27.87 MW m^(−2) K^(−1),略低于最近报道的实验值,可能是由于界面附件的电子与声子耦合未加以考虑.另外,根据Hasselman-Johnson模型,得到了室温下Cu/金刚石材料体系的有效热导率、材料体系的尺寸以及金刚石体积占比三者之间的依赖关系.这些理论预测值与实验数据基本一致,说明过渡金属Cu作为表面覆盖层在金刚石基大功率电子器件方面具有重要的应用.