P,Sb掺杂GaAs电子结...与光学性质的第一性原理分析_王平.pdf

14 电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月Electronics 电子学掺杂浓度为25%的掺杂体系。砷化镓的电子结构和光电特性的第一性原理模拟计算将采用密度泛函理论Materials Studio软件中的CASTEP模块。电子交换关联能采用GGA-PBE的广义梯度近似，离子实和价电子之间的相互作用势选取超软赝势法进行描述。选取的价层电子分别为：Ga:3d10 4s2 4p1、P:3s32 3p3、Sb:5s2 5p3、As:4s2 4p3。2 结果与讨论 2.1 能带结构分析图2为P，Sb掺杂，P和Sb共掺体系的能带结构。费米能级附近的电子结构是影响固体光电性质的主要因素，选取-410eV区间能带结构进行分0 引言砷化镓为第二代半导体材料，有宽禁带（Eg=1.424eV）、电子迁移率高、抗辐射性强等特点，常用于集成电路衬底、探测器原件、超高频/速器件。本征材料经掺杂后，各物理性能将得到一定程度改善。本征GaAs未经掺杂有局限性，如红外光吸收率低，不能有效地与热辐射器相适应及其转化率不高等限制。MA等1研究了闪锌矿结构CuxGa1-x As(x=3.125%、6.25%和12.5%）的电子结构和光学性质，结果表明，随掺杂的浓度逐渐提高，光吸收能力加强，吸收光谱红移。磁性方面，Gong等2使用铁磁金属掺杂，并计算了Mn掺杂GaAs。到现在为止，虽有Pb掺杂的研究，但缺少P，Sb共掺的研究。本文基于密度泛函理论对各掺杂体系电子结构及其光学性质进行研究讨论，期望P，Sb的掺杂可以提高GaAs的光电性能，并应用于半导体激光领域。1 理论模型与计算方法GaAs是具有闪锌矿结构的晶体，属立方晶系F-35m空间群，晶格常数a=b=c=0.5653nm。设计单包结构，如图1（a）棕色为Ga原子，紫色为As原子。考虑边界效应作用，用一个P、Sb分别去取代位于中心的As原子，结构如图1（b）,图1（c）所示，得到作者简介：王平，伊犁师范大学新疆凝聚态相变与微结构实验室；研究方向：电子学。收稿日期：2022-12-14；修回日期：2023-04-12。摘要：阐述基于密度泛函理论的第一性原理对本征GaAs及P、Sb掺杂GaAs晶体的电子结构及光学性质的理论计算和对比研究。结果表明，三种掺杂体系中Sb掺杂体系的反射和吸收率最大。关键词：GaAs掺杂，第一性原理，电子结构，光学性质。中图分类号：TN304文章编号：1000-0755(2023)04-0014-02文献引用格式：王平.P,Sb掺杂GaAs电子结构与光学性质的第一性原理分析J.电子技术,2023,52(04):14-15.P,Sb掺杂GaAs电子结构与光学性质的第一性原理分析王平（伊犁师范大学 新疆凝聚态相变与微结构实验室，新疆 835000）Abstract This paper describes that electronic structure and optical properties of intrinsic GaAs and P and Sb doped GaAs crystals are calculated and compared by first principles of density functional theory.Results shows that Sb doping system has the highest reflection and absorption among the three doping systems.Index Terms GaAs doping,first principles,electronic structure,optical properties.Analysis of Electronic Structure and Optical Properties of P and Sb doped GaAs by First PrinciplesWANG Ping(Xinjiang Condensed Phase Transition and Microstructure Laboratory,Ili Normal University,Xinjiang 835000,China.)图1 单胞掺杂模型电子技术 第 52 卷 第 4 期（总第 557 期）2023 年 4 月 15Electronics 电子学析。图2（a）本征砷化镓的带隙为0.21eV远低于实验值1.42eV,这是第一性原理计算方法本身的缺陷导致，因此无影响。为符合实验值，将用剪刀算符将四种体系的导带统一拉升1.21eV得如下结果。四种体系为直接带隙，导带底价带顶位于第一布里渊区点。相较本征体系，掺杂体系能带结构更加密集，是由于杂质原子的掺入致原简并能级发生了不同程度的分裂。P掺杂体系的带隙为1.73eV,相较本整体系有所增大，表明P的掺入增大了带间电子跃迁的难度。其中，Sb掺杂体系的带隙为1.21eV，相较本征体系有所下降，说明Sb的掺入使得带间电子跃迁变得更加容易。说明掺杂能够有效地调控砷化镓晶体的禁带宽度。2.2 态密度分析分析态密度有助于分析半导体的导电性能。图3是掺杂体系的态密度图，选取-410eV的态密度分析。图3（a）是本征砷化镓体系，如图3，砷化镓的价带主要由As的4p轨道和Ga的4p轨道贡献，倒带部分低能区间（35eV）主要由As的4s和4p以及Ga的4s和4p贡献，高能区间（510eV）主要是由Ga的4p轨道贡献。图3（b），P掺杂体系的价带主要由As的4p轨道和Ga的4p轨道贡献，导带部分的低能区（35eV）主要由As的4s和4p，Ga的4s和4p以及P的3P贡献，高能部分（510eV）主要由Ga的4p 轨道贡献。图3（c），Sb掺杂体系价带主要由As的4p轨道和Ga的4p轨道以及Sb的5P轨道贡献，导带的低能区（25eV）主要由As的4s和4p以及Ga的4s和4p贡献，高能区（58eV）主要是由Ga的4P轨道和As的4P轨道贡献。图3（d），共掺体系的价带主要是P的3P及少量的Ga的4P和As的4P贡献。2.3 光学性质分析在线性响应范围内，固体光学响应函数是由()=1()+i2()表示，砷化镓晶体的光学性能在一定程度上是由其电子结构决定，两者之间拥有紧密的联系。若要得到光吸收系数和光反射系数R，通过计算波函数矩阵元得到介电函数虚部2，利用Kramers-Kroning关系计算出介电函数的实部1，进而推出。图4（a）是各体系吸收光谱图。可看出在高能波段四种体系对电磁波的吸收情况大致相同，最高吸收峰位于167nm(7.3eV)附近。在近紫外区(200300nm)Sb掺杂体系的吸收最大，其次是P-Sb 共掺体系，再其次是本征砷化镓体系，最后是P掺杂体系。在300400nm波段本征体系和P掺杂体系的吸收系数几乎保持不变，而其他掺杂体系的吸收系数在此区间随着波长增大而减小。P原子的掺入使得吸收边发生了蓝移，而Sb原子的掺入会使得吸收边发生红移，拓宽了砷化镓晶体低能方向的吸收谱，这将有利于砷化镓半导体材料在红外设备方面的应用。图4（b）为各体系的反射光谱图。四种体系的反射率在高能区域大致相同，在108nm(11.4eV)附近反射率达到最大，对电磁波有94%的反射率。在紫外区域四种体系反射率随着波长的增加而急速下降，直到可见光区域才趋于平缓。在红外区域P掺杂体系的反射率最低约为0.32，本征体系的反射率约为0.34，P-Sb共掺体系的反射率约为0.36，Sb掺杂体系的反射率最大为0.38，这与吸收图谱规律相一致，即某种半导体在相同能量区域有着强烈的吸收则必然伴随着强烈的反射。3 结语本文利用第一性原理模拟计算方法研究本征GaAs以及P、Sb、P和Sb共掺杂GaAs体系的能带结构,态密度及光学性质。结果表明：（1）掺杂体系相较本征体系跃迁能量减小且带隙减小。（2）费米能级附近有杂质能级，杂质能级出现的原因是由于P、Sb掺入以及P和Sb的共同掺入。（3）三种掺杂体系中,Sb掺杂体系的吸收和反射率最大。参考文献1 Steiner MA,Geisz J F,Garcia I,et al.Optical enhancement of the open-circuit voltage in high quality GaAs solar cellsJ.J.Appl.Phys,2013,113:2546.2 Gong X,Feng S,Yuee Y,et al.Thermal analysis in high power GaAs-based laser diodesJ.J.Semi.,2016,37:11.图2 能带结构图3 态密度曲线图4 吸收与反射光谱图