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氮化铟(0001)表面结构的第一原理研究作者：吴新华伊厚会来源：《赤峰学院学报·自然科学版》 2012年第7期吴新华1,2，伊厚会1,2（1.滨州学院物理与电子科学系；2.滨州学院理论物理研究所，山东滨州 256603）摘要：本文利用第一原理方法研究了生长环境对极性（0001）面的表面形态的影响.计算结果表明，在(0001)面，富In的环境下2×2 的N空位结构是最低能量结构，而富N的环境下比2×2的N吸附在T4位是最稳定的结构.关键词：第一原理；InN；再构；形成能中图分类号：O641.12；O614.372 文献标识码：A 文章编号：1673-260X（2012）04-0009-021 引言近年来,Ⅲ族氮化物半导体如GaN、AlN和InN以及它们的合金由于在光电子和微电子器件上的广阔应用前景,引起了人们极大的兴趣[1,2].和GaN所受到的广泛研究相比，InN研究的却很少，这主要薄膜生长过程中存在着InN分解温度低、氮的高平衡气压力以及没有合适的衬底材料等问题，很难生长高质量的InN薄膜.随着氮化铟薄膜生长技术的提高，已经能够利用许多方法很容易的获得高质量二维单晶氮化铟薄膜[1~6].在此基础上，氮化铟的许多性质特别是光学性质已经得到广泛的研究[7,8].在薄膜的生长过程中，实验观察到N/In比值对于薄膜的结构和形态产生很大的影响[5,6].由于材料薄膜和异质结构制作决定着材料在设备中的应用，因此对薄膜生长过程的深刻理解对提高薄膜的质量非常重要，特别是对在不同的生长环境下表面离子结构的理解.但是，到现在为止这很少的被研究.在本文中，利用第一原理总能量计算研究了InN(0001)面，试图揭示在不同的生长情况下该极性面的最稳定结构.2 理论模型为了研究问题的方便，我们采用不同的模型分别对InN(0001)极性面进行了研究.在研究中我们仅考虑了高对称点的In和N原子吸附结构，即吸附原子在Top、H3和T4位置（如图1所示）.对于In和N在1×1上的吸附，超原胞模型选择十个双原子层模拟基底，再加上N或In吸附原子；而在做３×３和2×2结构的计算时，由于受到计算的限制，超原胞只包括六个双原子层，再加上N或In吸附原子.对于所有的结构，衬底层背面In原子的悬挂键用赝氢（1.25e）来饱和.同时超原胞还包含14.2?魡厚度（相当于五个双层厚度）的真空层.计算中应用第一原理的Vienna Ab-initio Simulation Package(VASP)[13,14],平面波的截断能量为25.57Ry，采用局域密度近似.In4d电子被作为价电子，价电子与离子实的相互作用采用Ultra-soft Vanderbilt赝势[15]处理，使用共轭梯度方法对总能量进行了最小化.3 结果与讨论首先计算了体材料InN半导体的晶格常数，从表1可以发现计算值和实验值的误差在2％以内，说明计算得到的晶格常数是合理的.在以后所有计算中都是利用的计算得到的晶格常数值.InN（0001）面性质不同于（0001）表面的性质，所有研究的In吸附和N吸附结构的形成能都比较低.在三种In的1×1吸附结构中，In在Top位的吸附有最低的形成能.In在H3和T4吸附比在Top位吸附分别高0.22和0.29eV/atom.1×1的N吸附结构中N吸附在T4比吸附在H3位置形成能低1.1eV，这可能是N吸附原子与下面的In原子相互作用的结果.2×2In吸附结构中In原子在Top位置吸附的形成能要比在H3和T4高得多，而在H3位吸附要比T4位吸附的形成能低0.08eV/(2×2).2×2氮吸附中N吸附在H3位形成能要比吸附在T4位低0.66/(2×2).图2总结了六种相对稳定结构的形成能随In的化学势的变化关系,能量是参照1×1干净驰豫结构得到的，In最大的化学势等于In体材料的化学势.在富In的环境下，最低能量结构是2×2空位结构，在富氮的情况下，最低能量结构2×2的N吸附结构是最稳定的结构，吸附位置在T4.4 结论用基于密度泛函理论的从头算赝势总能量计算方法研究了InN（0001）面的可能的再构，2×2的N空位结构在富In的环境下是最稳定的结构，但是在富N的情况下2×2的N吸附在T4是最稳定的结构.参考文献：〔1〕Strite S, Morkoc H. J. Vac. Sci. Technol. B, 1992,10(4):1237～1266.〔2〕Jain S C, Willander M, Narayan J, et al. J. Appl. Phys. 2000, 87 (3) : 965～1006.〔3〕A. G. Bhuiyan, T. Tanaka, A. Yamamoto, and A.Hashimoto, Phys. StatusSolidi A , 2002, 194 (2): 502.〔4〕K. Xu, W.Terashima, T. Hata, N. Hashimoto, Y. Ishitani, and A.Yoshikawa, Phys. Status Solidi C , 2002, 0: 377.〔5〕I. J. Lee, J. W. Kim, T.-B. Hur, Y.-H. Hwang, and H.-K. Kim, Appl. Phys. Lett., 2002, 81: 475.〔6〕Singh M, Singh J., J. Appl. Phys. 2003, 94 (4): 2498.〔7〕Guo Q X, Okada A, Kidera H, et al. J. Crystal Growth , 2002 , 237-239: 1032.〔8〕Aderhold J, Davydov V Yu, Fedler F, et al. J. Crystal Growth, 2001, 222: 701.〔9〕G. Kresse and J. Hafner, Phys. Rev. B, 1993, 47: 558.〔10〕G. Kresse and J. Furthmuller. Phys. Rev. B, 1996, 54: 11169.〔11〕D. Vanderbilt. Phys. Rev. B, 1990, 41: 7892.。
第24卷 第2期物 理 学 进 展Vol.24,No.2 2004年6月PRO GRESS IN PHYSICS J un.,2004文章编号:1000Ο0542(2004)02Ο0195Ο21半导体氮化铟(InN)的电学性质潘 葳,沈文忠3(上海交通大学物理系,凝聚态光谱与光电子物理实验室上海市华山路1954号,上海 200030)小川博司,郭其新(佐贺大学理工学部电气与电子工程系,佐贺840Ο8502,日本)摘 要: 本文总结了近年来半导体InN薄膜材料(主要是六方纤锌矿结构的InN及异质结构)的电学性质研究进展,重点内容为InN的载流子浓度和迁移率,造成InN中高电子浓度现象的施主分析、载流子输运特性及表面、界面特性等。
同时也涉及了部分立方闪锌矿结构InN的电学特性和InN在器件(主要是高电子迁移率晶体管器件)上的潜在应用。
关键词: 氮化铟(InN);电学性质;综述;载流子浓度;迁移率;输运中图分类号: O47 文献标识码: A0 引 言近年来,Ⅲ族氮化物半导体如G aN、AlN和InN以及它们的合金由于在光电子和微电子器件上的广阔应用前景,引起了人们极大的兴趣[1,2]。
InN被认为是低损耗高效电池、光学掩膜及多种传感器的优选材料[1]。
InN、G aN和AlN的合金带隙对应于可见-近紫外光波段,因而使制造In G aAlN基的半导体短波激光二极管成为可能[3,4]。
最近的研究表明,InN在太赫兹(THz)辐射中有很好的应用前景[5～7],在热光伏系统中则可作为等离子体滤波器材料[8]等。
理论计算表明,相对于G aAs、AlN和G aN,InN具有优越的稳态和瞬态电子输运特性,其迁移率、峰值速率、饱和漂移速率和尖峰(overshoot)速率较高,其中低场迁移率可以达到3200cm2/V·s,峰值漂移速率可达4.3×107cm/s[9,10],且这些电子输运特性不受温度改变的影响,可以预计InN场效应晶体管(FET)的截止频率可高于400GHz[9],这些特性使InN在高频厘米和毫米波器件应用上具有独特的优势[9,10]。
p-型ZnO第一性原理计算的开题报告一、研究背景及意义：氧化锌（ZnO）是一种重要的II-VI族半导体材料，具有广泛的应用前景，例如透明导电膜、紫外探测、光电器件等。
但是由于ZnO的自由载流子的浓度非常低，因此其电学性能是有限的。
为了改善ZnO的电学性能，通常需要通过掺杂来调节其电学性能。
其中，P型掺杂通常是非常关键的一步。
传统上，钙钛矿结构的氧化物（例如氧化锌）通过外部掺杂，如锌和氧羟基（OH）掺杂来实现p型掺杂. 但是，该方法通常存在粉化和炸裂等问题。
因此，我们有必要寻找其他的P型掺杂方法。
其中，理论计算指导的掺杂方法是一个非常有前景的方法。
本文主要研究p-type ZnO半导体材料的第一性原理计算研究，将探索一种有效的p型掺杂方法，通过计算稀地元元素掺杂ZnO 材料的电学性质，以期从理论上为ZnO半导体材料的性能改良提供一个新的思路。
二、研究内容及步骤：研究内容主要包括以下几个方面：1. 通过实验等手段得到p型ZnO半导体材料的性质和特点。
2. 建立含稀土元素的P型ZnO材料的模型，对其结构性质和电学性质进行第一性原理计算研究。
3. 探索含稀土元素的P型ZnO材料的理论掺杂机理，提出一种有前途的掺杂方法，并对其进行计算模拟。
4. 对掺杂后的材料进行结构优化并计算其电学性质，探索其p型半导体特性。
研究步骤如下：1. 基于VASP软件平台第一性原理计算的理论框架，构建含掺杂的ZnO体系模型，并优化控制变量；2. 采用VASP软件计算计算其结构性质、电学性质、热力学性质，并借助第一性原理计算方法分析原子掺杂对其性质的影响。
3. 为了评估所设计掺杂剂的有效性和稳定性，我们将使用VASP软件模拟和分析所提出的P型掺杂方法，并与当前已有的P型掺杂方法进行比较。
4. 最后，将探讨掺杂策略对ZnO 材料电化学性能的影响以及对其应用的前景进行预测，提出有助于提高其应用价值的改进建议。
三、研究计划及时间节点：本文的研究时间约为6个月，具体研究计划及时间节点如下：第一阶段（1个月）：资料查阅，研究背景及意义，确定研究目标和研究内容。
SiC材料P型掺杂的第一性原理研究的开题报告一、研究背景SiC材料是一种具有广阔应用前景的半导体材料，其具有高硬度、高热稳定性、高电子迁移率等特点，是目前用于高功率、高频率器件制作的材料之一。
P型掺杂在SiC材料中是非常重要的一项技术，其可以用于制备p-n结、MOSFET器件等。
目前对SiC材料P型掺杂的研究主要集中在实验测量、理论分析等方面，但是由于传统实验方法的限制，不同条件下实验测量结果存在一定的误差，而理论分析方法并不能完全解释P 型掺杂过程的内在机制。
因此，开发一种新的理论分析方法，深入研究SiC材料P型掺杂机制，对于指导实验设计和优化器件性能等方面具有重要意义。
二、研究内容本研究拟采用第一性原理计算方法，通过VASP软件对SiC材料P型掺杂机制进行深入研究。
具体研究内容如下：1.构建SiC晶体结构模型，并确定计算的方法。
2.优化晶格结构，计算晶体的基本物理性质，如晶格常数、能带结构等。
3.确定P型杂质原子的掺杂位置及浓度，并计算其电子结构、轨道分布等信息。
4.分析杂质原子掺入后，晶体的电子结构和能带结构的变化，并评估其导电性能与光学性能。
三、研究意义1.通过第一性原理计算方法研究SiC材料P型掺杂过程的内在机制，对指导实验设计和优化器件性能等方面具有重要意义。
2.深入研究SiC晶体的基本物理性质，可为SiC材料的相关应用提供更加准确的理论基础。
3.对推动半导体材料在电力电子、微电子学等高科技领域的应用，具有积极意义。
四、研究方法本研究采用第一性原理计算方法，通过VASP软件对SiC材料P型掺杂机制进行研究。
五、论文结构安排第一章：绪论1.1 研究背景与意义1.2 国内外研究现状1.3 研究内容及方法第二章：基础理论知识2.1 半导体材料的基本理论知识2.2 SiC材料的基本性质2.3 第一性原理计算方法的基本原理第三章：SiC材料P型掺杂的第一性原理计算3.1 SiC材料的建模和计算方法3.2 杂质原子掺入SiC晶体后的电子结构分析3.3 杂质原子掺入SiC晶体后的导电性能和光学性能分析第四章：结论4.1 研究结果及分析4.2 研究成果的意义与展望参考文献。
GaN材料P型掺杂机理及方法的研究的开题报告
开题报告
一、研究背景
氮化镓（GaN）是一种重要的半导体材料，具有广泛的应用前景。
GaN材料因其电子迁移率高、饱和电子漂移速度快、硬度高、稳定性好等特点，已经被广泛应用于高功率、高频率、高温度和高光亮度电子器件中。
目前，GaN材料的P型掺杂成为制约其应用的关键瓶颈之一。
二、研究目的
本研究旨在探究GaN材料中P型掺杂的机理及方法，以解决目前GaN材料P型掺杂存在的问题，提高半导体材料的性能，推动GaN材料在电子器件中的应用。
三、研究内容及步骤
本研究将从以下三个方面展开：
1. P型掺杂机理的研究
通过理论模拟、材料电学性能测试等手段，探究GaN材料中P型掺杂的机理，揭示其内在的物理和化学本质，为进一步的研究提供理论基础。
2. P型掺杂方法的研究
选取合适的掺杂元素，开展掺杂剂浓度优化及掺杂条件的研究，探究不同掺杂方法对GaN材料P型掺杂的影响，并对其掺杂效果进行测试和分析。
3. 电子器件的制备与测试
在掺杂剂浓度和掺杂条件达到一定的条件下，制备GaN材料的电子器件，进行性能测试，分析其电学特性及稳定性，探究GaN材料在电子器件中的应用前景。
四、研究意义
本研究通过探究GaN材料中P型掺杂的机理及方法，为其在电子器件中的应用提供了新的途径和思路，推动了半导体材料在电子器件中的应用进程，具有重要的科学研究和应用价值。
以上就是本研究的开题报告，希望能够得到大家的支持和帮助。
第49卷第12期人工晶体学报Vol.49No.12 2020年12月JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS December,2020基于第一性原理的二维g-AlN材料p型掺杂研究肖文君，刘天运，刘雪飞(贵州师范大学物理与电子科学学院，贵阳550001)摘要:半导体材料通过掺杂实现n型和p型载流子导电在半导体器件领域具有重要意义,理论上可通过计算电荷转移能级和缺陷形成能来探索半导体材料的n型和p型掺杂效率。
基于第一性原理，结合二维带电缺陷计算方法,类石墨烯氮化铝(graphene-like AlN,g-AlN)中的四种(Be Al,Mg A,,Ca A,,Sr A,)潜在p型掺杂缺陷的结构、磁学、电学和缺陷形成能及转移能级被系统地计算。
结果表明，所有缺陷体系均表现为深受主能级特性，很难为二维g-AlN提供p型载流子，它们反而会捕获g-AlN中的空穴，从而严重影响二维g-AlN材料的空穴导电率。
Be*l在整个电子化学势范围内具有最小的形成能，因此更加容易掺入到g-AlN中，影响g-AlN材料的p型掺杂效率。
关键词:二维g-AlN;第一性原理;带电缺陷计算；电荷转移能级;p型掺杂;缺陷形成能中图分类号：O474文献标识码:A文章编号：1000-985X(2020)12-226147Study on p-Type Doping of Two-Dimensional g-AlN MaterialsBased on First-PrinciplesXIAO Wenjun,LIU Tianyun,LIU Xuefei(School of Physics and Electronic Science,Guizhou Normal Lniversity,Guiyang550001,China)Abstract：The realization of n-type and p-type carrier conductivity by doping in semiconductor materials is of great significance in the field of semiconductor devices.Theoretically,the n-type and p-type doping efficiency of semiconductor materials can be explored by calculating charge transfer energy levels and defect formation energy.The structural,magnetic,electronic,defect formation energy and charge transfer energy levels of four potential p-type doped defects in g-AlN(Be A l,Mg A l,Ca A l,S i A|) were systematically calculated based on frist-principles and combined with two-dimensional(2D)charged defect calculation method.The results show that all defective systems are deep acceptor energy levels,and it is difficult to provide p-type carriers for the2D AlN.On the contrary,they will capture the holes in AlN,which will seriously affect the hole conductivity of2D g-AlN materials.Be A|has the minimum forming energy in the whole range of electronic chemical potential,so it is easier to be doped into g-AlN,affecting the p-type doping efficiency of g-AlN materials.Key words:two-dimensional g-AlN;first-principle;calculation of charged defect;charge transition level;p-type doping;defect formation energy0引言III-V族(AlN、GaN、InN)体相材料在光电领域具有较好应用前景,尤其是AlN具有较宽的带隙,可用于深紫外光区的相应器件［1-3］。
