电子信息工程类毕业论文半导体材料砷化镓的结构与性能毕业设计文档格式.docx
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first-principle;
Crystalstructure;
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opticalproperties
第1章绪论
1.1.引言
半导体材料的产生为集成电路,光电子器件还有各种晶体管的诞生创造了机会也为电子产业的革新带来了机会,也同时让国家安全信息的保护有了更坚实的护盾,同时也拉近了世界上人与人之间的距离。
它的发展使我们可以通过互联网,手机,电脑等在全球范围内实现无线通信变为可能,近年来,由于半导体材料这门学科和技术的快速发展,我们的日常生活加入了电子设备,我们的信息通信更加方便快捷。
特别是电子行业,手机,计算机等领域,最初的材料学中的半导体材料硅(Si),锗(Ge)半导体材料被广泛运用于半导体器件的生产,集成电路这个产业也得到了发展,随着技术的不断发展。
新一代的半导体材料也不断出现在人们视野中,它的性能比上一代的材料也更加优越。
所以砷化镓它本产生身就具有的优良特性,很快便得到了很大的发展,它具有超高速,超高频,低的功耗,噪声很小,它的光能量转换效率特别高,电子迁移率高等突出优点,使得它在光方面也有着不可或缺的独特优势。
例如太阳能电池,现在都追求低碳节能,而太阳能最普遍,所以砷化镓也应运而生。
还有就是对于砷化镓材料来说,它的电子迁移率为8000远高于硅材料的1350。
电子迁移率决定器件运行的速度,迁移率高,那么该器件的性能就越好。
GaAs产品包括无线和卫星通信中的接收、放大、发射系统、雷达等的微波处理设备;
在航空航天中,它们所用到的电子、激光、传感等相关的各种设备;
家电、机械产业中的控制、耦合等电子设备;
这些应用不仅包含我们经常使用的的手机、汽车电子,最重要的是,它关乎一个国家卫星通信这个领域的安全性,所以对这些材料的研究,相对来说也就变得格外重要。
基于砷化镓在上文所述的优势和特点,说明砷化镓在许多的领域都有着非常大的运用潜力,许多的地方都离不开砷化镓半导体材料。
鉴于这些优势,本论文以密度泛函理论为基础,采用第一性原理的分析方法,用materialsstutio计算软件CASTEP(CambridgeSerialTotalEnergyPackage)模块来分析。
CASTEP(CambridgeSerialTotalEnergyPackage)模块来分析。
本论文主要是来分析砷化镓(GaAs),它的这种半导体材料的基本性质。
从软件仿真的计算结果上来分析GaAs这种半导体材料的晶体结构以及这种材料的电子结构还有它的能带结构、DOS结构、分波态密度、折射率、消光系数、介电函数等性质。
并且可以得到砷化镓的能带结构、总态密度以及砷化镓的分波态密度、还有在不同轨道(s、p、d)的电荷密度图像。
通过与理论数据的对比,并分析的它的含义,在仿真软件得出实验数据的同时,对比参考数据分析实验产生差异原因。
1.2.国内外砷化镓的研究现状
最早科学家研制成功了第一个固态放大器,即为点接触晶体管,这个发现使电子行业的发生革命,步入电子时代。
后来,集成电路等相关的产业也随着发展起来,材料学的发展也就变得非常重要。
使电子产业的向前发展有了物质基础,同样为电子产业,半导体产业的进步提供了可能。
早年德国科学家威克尔提出族化合物可以弥补材料的一些不足。
后来集成电路慢慢发展,半导体材料也就不断更新。
半导体材料砷化镓就是这样的环境下产生的,半导体材料砷化镓就是这样的环境下产生的,砷化镓这种材料主要在高频领域,光电领域有非常大的应用前景。
国内外也有不少的以砷化镓为主要制造的公司。
砷化镓材料的研究也在美国,欧洲等国外地区有着很大的研究和生产。
现在不少半导体公司出现并购的狂潮,未来砷化镓的在物联网,5G领域的应用会越来越多,汽车电子等相关的电子行业,都离不开砷化镓。
关于砷化镓这种的材料的研究和分析,中国科学院中,它们的微电子它是主要研究半导体材料和器件的,同时也对砷化镓这种晶体有一定的研究和分析。
研究材料的性能可以为我们做器件提高理论参考依据,所以说对砷化镓这种材料的研究,从而对提高器件的性能有着很大的帮助,这样就可以使它可以更好的为我们工作。
电子器件最初的发展是以电子管为核心的。
图1.1给出的是最早的电子管,图1.2给出的是砷化镓太阳能电池。
1.3.砷化镓的光电应用
在砷化镓的优良特性中,它的光学特性是其中一个比较重要的特性。
并且它具有直接带隙以及较宽禁带等结构,这让它在光学上的应用也比较广泛。
砷化镓它的光折射率和禁带宽度都要比硅,锗元素都要高很多,它们都可以用来制作很多的光学方面的器件,比如发光二极管。
还可以在激光器的制作方面有角色。
比如半导体的激光器等与之相关的光电器件。
而且它们都在各自的领域扮演着不可或缺的角色,充分发挥了它们自己的优势优点。
而砷化镓可工作的温度范围大,而且它的功耗也低。
砷化镓在LED灯、异质结晶体管、手机,光通信,卫星通信领域、激光器、汽车电子等方面都有着非常重要的作用。
还有砷化镓材料在太阳能发电上面的应用,太阳能热水器就是利用这个特性做出的。
它的原理就是利用砷化镓的耐温性,光电转换效率高的优点做成的。
我们可以看出砷化镓及其化合物在光学领域的应用非常广泛,本征半导体砷化镓在无线通信,光通信这些领域的应用,因为这样材料的禁带宽度较宽,有着高的光能量的转换效率以及高的电子迁移率等优点,从而使得它的应用更加广泛。
砷化镓在微波电路中的芯片,以及高速的集成电路的芯片里面,由于采用砷化镓及其相关的化合物材料这些材料所制成的器件,它的应用非常的广泛,可以说是不可缺少。
1.4.砷化镓(GaAs)材料的性能优缺点
砷化镓材料用途很广泛,而且它还具有如下的的优点
1.光的转换效率高:
如图1.3所示,图中给出相应的禁带宽度下
2.电子的迁移率很大;
3.可工作的温度范围大;
4.具有良好的光吸收系数,如图1.4所示;
1.5.论文研究的目的和意义
材料学是发展起来的一门学科。
它通过软件仿真半导体材料的结构、性能来达到对材料性能的研究。
它通过软件仿真半导体材料的理论来达到对材料性能的研究,MS仿真软件,它是用来分析材料的结构性能,以及它的结构参数等参数。
通过对仿真结果数据的分析,我们可以知道它的基本特性,分析它的晶体结构,电子结构,了解它的基本特性,从而可以设计新材料,并知道它的基本特性。
,它是可以分析材料的结构性能,以及它的结构参数等参数。
砷化镓(GaAs)由于其高的光电转换效率和优良的光学特性,在光电器件方面应用广泛,对砷化镓的晶体结构、电子结构等相关的特性进行仿真的方法。
成为研究砷化镓这种半导体材料的性能的基本方法。
目前通过密度泛函理论中的第一性原理,用它来研究和分析砷化镓材料已成为一种手段,成为现在我们来研究半导体材料的一种趋势。
在这本论文中采用materialsstudio材料学的仿真软件中的castep这个模块来仿真砷化镓的基本结构特性,并通几何优化最后查看它的禁带宽度,态密度,并仿真它的折射率等参数,分析它在光学方面的优越性的原因。
本论文主要分为如下几章:
第一章主要介绍本论文分析选题原因和关于砷化镓的应用,以及砷化镓的基本特性。
第二章主要介绍研究砷化镓需要的理论,包括其中最重要的密度泛函理论,和与之相关的另一个重要的原理,第一性原理,局与密度近似以及相关软件的介绍。
第三章主要介绍砷化镓的晶体结构和计算结果。
第四章主要介绍砷化镓半导体材料的电子结构和仿真分析。
第五章主要介绍它的光学特性和相关参数的仿真。
第六章主要是结论和建议。
最后使参考文献和致谢。
第2章基本理论和分析方法
2.1.基本理论
2.1.1.第一性原理
量子力学中的第一性原理(First-Principies)计算方法,在材料学的仿真中,有着很大的应用。
它为半导体材料的分析提高了依据和理论方法。
它采用的是所有物理量中最基本的最基本的5个基本物理常数即:
m0、e、h、c、kB;
其他的结构参数都不需要,只通过这几个参数就可以表达出来;
只需要上面提到的5个参数。
最后我们就可合理预测出我们计算仿真中的微观体系的状态和性质;
通过这些参数,我们就可以知道我们要研究的体系的基本问题;
第一性原理计算方法有半经验方法不可比拟的优势,因为它只需要知道构成微观体系各元素的原子序数,而不需要任何其它的可调(经验和拟合)参数,就可以应用量子力学来计算出该微观体系的总能量、电子结构等物理性质;
近些年来,采用量子力学的第一性原理的计算方法也变得越来越重要,在材料学中有着非常广泛的运用[]。
已经成为材料学中新材料的设计的基础。
它把分子的动力学结合起来,在对晶体的计算,分析,材料的合成等方面扮演着不可缺少的作用。
也为新材料的产生提供了依据。
也正是因为它的这些优势和优点,所以它才在材料学上有着非常重要的应用。
2.1.2.CASTEP仿真软件
◆CASTAP仿真模块可以分析材料的特性和结构,这个仿真模块它是专门为固体材料学的计算和性能的分析,最后所设计出来的一个现代的量子力学仿真的基本程序。
在仿真时,这个模块使用密度泛函(DFT)平面波赝势方法,它是这个模块计算和分析的核心理论。
用CASTEP模块来对晶体结构进行第一性原理量子力学计算和分析。
最后可以通过查看计算所得的文件可以得到晶体的相关性能参数。
我们可以用来研究并分析半导体材料它的晶体性质和这种材料的特点和优势,这样可以为我们设计新材料有更大的支撑。
主要分析的是半导体这类的材料的晶体结构和电子结构,包括禁带宽度,DOS结构,分波态密度,能量是否收敛,还有它的光学特性等进行分析和计算,而且这个模块还可以对砷化镓进行优化,改变它的结构几何,为的是得到稳定的晶体结构。
它可以显示不同晶体的各种模型,这个仿真模块为我们仿真材料带来了很大的方便,并使我们可以很快得到它的仿真结果。
它还可以用来分析半导体材料的掺杂,因为杂质的进入可以改变半导体的一些特性,主要是改变原材料里面载流子的类型和数量,从而使原材料的导电特性发生改变。
杂质的深掺杂和浅掺杂都对半导体有着不同的影响,深掺杂可以提供可以提高器件的运行速度。
本论文采用CASTEP这个模块来计算仿真砷化镓的性能参数,我们可以把它分为如下三个部分:
◆结构定义:
可以自己用空间群来搭建自己的晶体模型,设置需要的参数,其二就是我们可以从库文件中调出部分晶体的模型,然后你可以更改它的一些参数,第二种方法针对那些常规的晶体材料,如果库里面没有我们就要构建自己的形体模型。
◆计算设置:
模型构建好了以后,就需要我们设置参数计算,必须选择相应的计算模型和与之相关的参数,这就相当于给模型赋予了值,例如:
本论文要做的就对砷化镓这种半导体材料进行性能参数的仿真计算,通过采用不同的计算精度,采用的局域密度的计算方法,截断能,仿真刷新的时间,计算采用计算机的核数等等。
◆结果分析:
计算完成后会出现successful的项目框,这时候表示计算完成,我们可以在左边的栏目下面找到关于计算产生的文件,我们可以通过查看这些文件和分析它,最后我们就可以VIEW得知我们的用这个软件仿真的计算结果。
2.2.密度泛函理论
2.2.1.密度泛函理论介绍
密度泛函理论,它是一种研究多电子体系电子结构的量子力学方法;
密度泛函理论在物理和化学上都有非常广泛的应用,尤其是用它用来研究分子和凝聚态的性质,是凝聚态物理计算材料学和计算化学领域最常用的方法之一[]。
该套理论分析方法使得研究者可以对于软件仿真实验中得到的数据来进行相应的解释并加以分析,再通过对那些未知晶体的结构性质、性能参数等方面进行研究和分析。
从而我们可以来确定这些晶体材料的本征性质。
同时也可以为制造新材料提供理论上的参考依据。
并可以对新材料的一些优良性质有一定的预测,这样就可以帮助我们模拟出晶体的特性参数并告知它的基本性质,这其中就包括它的一些物理和化学特性等。
还为制造出所需的材料提供理论支撑。
所以密度泛函理论在材料学中的地位不言而喻。
2.2.2.局域密度近似
局域密度近似(local-densityapproximation,LDA),它是密度泛函理论中其中一类交换的关于相关能量的泛函理论中所使用的近似求解的理论方法[]。
该近似理论中,我们可以近似地认为交换和它相关能量的泛函理论,它仅仅和晶体所拥有的电子的密度和在它本来的空间各点的取值大小有关系。
尽管可以用很多种不同的方法来体现这个理论局与密度近似理论,例如:
在本文中的砷化镓,它的这种材料的仿真过程中,采用的就是局域密度近似的方法来计算仿真。
因此它的这套理论方法,在对材料的仿真过程中,对于选择什么样的方法来分析计算材料的性质还是尤其重要的。
所以在仿真计算前,都要选择一种近似的方法,也就相当于给了晶体一个仿真环境。
它也非常地适用于那些晶体的电荷的密度,它们的电荷密度变化非常缓慢,电荷的密度较高的晶体结构。
2.3.半导体的能带结构和它的态密度
2.3.1.能带结构
在固体物理学中,固体的能带结构(又称电子能带结构)描述了禁止或允许电子所带有的能量,这是周期性晶格中的量子动力学电子波衍射引起的。
[]各种不同的材料,它们都有自己的能带结构,而就是这些结构决定了这些材料的多样性。
例如:
禁带宽度就是材料学中的性能指标。
这个特性在光学上面有很大的优势。
在材料学中,它们自己独立的晶体结构,并且它们所对应的电子所拥有的能量是不连续的,但是在电子的部分能量区间下,这种晶体的能级分布是准连续的,而且在某些区间是没有能级分布的。
如图2.1所示:
固体物理学中的晶体是由很多个的原子(N个)构成,由于这些原子之间的相互作用力,这个力就会使它们分裂从而进一步就可以产生不同的带,这种分裂所产生的每一个带就称为允带。
再者由于允带之间没有其他的能级,故而称为禁带,中间是禁带,禁带的宽度称为带隙,用Eg表示,它的单位是eV,如图2.1所示,因此当较多的原子聚集在一起的时候,不同电子层之间会发生相互重叠,形成电子云,这就是晶体的“共有化”运动。
从图中可以发现晶体的能带分布图,能量最高的称为价带。
图2.1很清楚表示了原子怎么样形成能带的过程,先是各个原子的运动,再者会产生电子的运动,从而电子可以在整个壳层中运动,最后分化成能带。
2.4.态密度
态密度表示在单位能量范围内,它可以允许存在的电子数的多少,换句话说也就是指晶体里的电子。
它在某一能量范围内,各个电子的分布情况。
不同的原子轨道,它们所拥有的能量不同也不相同。
这样电子的状态也不一样。
为了来表示它们,就有了态密度这个概念的产生。
在态密度图像中,它的横坐标则表示能量的变化。
而它的纵坐标则表示态密度的值的大小,它则可以用来反映晶体的电子在它本身的各个轨道(s,p,d)等轨道的电子密度的具体分布情况,并且从中可以反映出晶体的原子核与原子之间的相互作用。
还有晶体它们的原子相互之间相互形成的化学键的相关信息,仿真的晶体的态密度大致可以做如下的划分:
分波密度(PDOS),它可以用来查看化合物材料中的各个原子的各个轨道(s、p、d)的电子态密度和晶体的总的态密度(TDOS)。
它是用来表征化合物所形成的是s、p、d各个轨道的分布情况。
它们分别可以用来反应与它相对应的态密度,这种晶体它在不同能轨道,比如:
s,p,d等轨道的具体分布情况。
第3章砷化镓的晶体结构
3.1.砷化镓的基本结构
砷化镓(GaAs)化合物半导体是由第III主族和第V主族元素化合而成的半导体化合物,其中,它是属于闪锌矿的晶体结构,并且是直接带隙。
Ga原子和As原子之间所构成的化学键。
主要是共价键,但由于砷化镓化合物中的共价键偏向于砷(As)所以也有部分离子键得性质。
砷化镓的化学键是四面体键,它的键角为一百零九度二十八分,主要共价键成分。
常温条件下GaAs的晶体的颜色呈现暗灰色,并且砷化镓它伴有一定的金属光泽,其相对分子质量为一百六十四点六四。
通常情况下,砷化镓化合物半导体材料,它不与其他任何的物质发生相应化学反应,表现出稳定的性质。
空气中有氧气,而砷化镓只有在高温的条件下才与它发生反应。
在高温六百摄氏度的空气中,由于有氧气的存在,砷化镓材料可以和它发生氧化反应。
当空气氧气的高温八百摄氏度以上时,则可以产生化学的离解反应。
在通常的温度条件下,砷化镓所表现出来的化学性质也非常地稳定,而且它不和盐酸发生相应的化学反应,但在一定的条件下可溶于硝酸,并能和王水发生化学反应。
GaAs拥有部分比硅材料的特性还要好的电子特性,使得GaAs这种化合物半导体材料可以用在较高的频率条件下工作。
同样砷化镓比硅的电子迁移率高,使得它在半导体光电器件方面的运用比硅更广。
砷化镓半导体化合物它的晶体结构如图1.1所示,它的基本物理性质如图1.2所示:
表3.1砷化镓的物理性质
分子式
GaAs
相对分子量
144.64
共价键半径(nm)
0.118
熔点(K)
1515
晶体结构
闪锌矿结构
晶格常数
0.5653
原子密度(cm-3)
4.42×
1022
折射率
3.25
密度(g/cm3)
5.26(固体)
5.71(液体)
介电常数
(300k)
12.4
热导率
(W/cm.K)
0.46
热膨胀系数
(10-6/K)
6.0
比热容(J/g.K)
0.326
德拜温度(K)
344
硬度(Mohs)
4.5
3.2.砷化镓(GaAs)晶体结构和计算结果
3.2.1.晶体结构
本文研究的是闪锌矿砷化镓,空间群为216F-43M模型,如图3.1所示,计算采用几何优化中多精度的计算方法来仿真,该方法不仅优化它的原子坐标,而且优化它的晶格参数,因此当改变计算精度为(Coarse),它的晶体参数如表其晶体结构如图3.2所示,它的设置参数会自动做出与之相应的变化,CASTAP模块中的几何优化任务,这个模块可以允许改善结构的几何,从而可以获得稳定结构。
通过一个迭代过程来完成这项设置的任务,在这个迭代过程中,软件通过改变晶体中的原子坐标和晶胞参数,最后使晶体的结构的总能量达到最小化。
下图3.1是调出砷化镓的晶体模型。
表3.3仿真参数
a(nm)
b(nm)
c(nm)
α(度)
β(度)
γ(度)
理论
0.4036
90
实验
0.4035
60
其中α、β、γ表示的是空间的角度,a、b、c表示砷化镓晶体的晶格常数。
从图3.2中可以看出砷化镓由Ga原子组成的面心立方体结构和由As原子组成的面心立方体结构沿对角线方向移动1/4间距套构而成的。
Ga原子和As原子之间主要是共价键,也有部分离子键。
3.2.2.参数的设置
本文采用密度泛函理论(DFT)第一性原理的计算方法来研究砷化镓的晶体结构和电子结构,计算仿真包括如下几个步骤:
1 晶体模型的建立
2 晶体结构几何优化,优化晶体的参数和坐标
3 计算分析它的晶体结构
基于仿真步骤,下面是仿真参数的设置步骤,和仿真步骤一样,根据其中每一个步骤再相应去设置参数和步骤。
下面是仿真砷化镓晶体的过程,做了详细的说明。
1.平面波截断能
在仿真迭代计算过程中,它通过软件自动生成计算。
对于计算分析的结晶体构,其中它晶体中的每个电子基态能量。
它们的本征值精度将直接对晶体的能带结构和光学性质造成非常大的影响,因此,在参数设置的过程中,需要给软件输入一个合理的平面波截断能,在软件的计算过程中,我们给它不同的值,会得到不同的计算结果,这里需要我们要给一个合理的值。
它可以提高本论文计算的精
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- 电子信息工程 毕业论文 半导体材料 砷化镓 结构 性能 毕业设计