【摘 要】
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本文基于第一性原理计算软件CASTEP和电荷控制模型主要研究由典型铁电材料BaTiO3、半导体材料GaN构成的BaTiO3-GaN异质结构，在理论层次上对其电子结构和二维电子气(2DEG)特性进行探索性研究，为铁电-半导体器件的研制提供理论参考。 首先，本文针对基态下BaTiO3(001)、(111)，闪锌矿结构3C-GaN(001)、(110)和纤锌矿结构2H-GaN(0001)、(000-1)表面，从能带结构、态密度等方面进行了详细分析，其中BaTiO3(001)表面的TiO2终端因Ti原子
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本文基于第一性原理计算软件CASTEP和电荷控制模型主要研究由典型铁电材料BaTiO3、半导体材料GaN构成的BaTiO3-GaN异质结构，在理论层次上对其电子结构和二维电子气(2DEG)特性进行探索性研究，为铁电-半导体器件的研制提供理论参考。 首先，本文针对基态下BaTiO3(001)、(111)，闪锌矿结构3C-GaN(001)、(110)和纤锌矿结构2H-GaN(0001)、(000-1)表面，从能带结构、态密度等方面进行了详细分析，其中BaTiO3(001)表面的TiO2终端因Ti原子悬挂键的存在，引入表面态，其稳定性下降。BaO终端表面经弛豫后的禁带宽度为1.761eV，与体结构值1.804eV相近：而TiO2终端表面最后禁带宽度仅为0.745eV，远低于体结构值。BaTiO3极性表面(111)的BaO3终端表面的稳定性较好，弛豫前后禁带宽度没有明显变化。GaN各种表面由于相结构、终端原子、极化取向的不同，特性差异较大，其中3C-GaN(001)两种终端表面和2H-GaN(000-1)弛豫后都呈现出金属特性，而3C-GaN(110)和2H-GaN(0001)表面弛豫后都表现出半导体特性。另外，2H-GaN(0001)表面弛豫后形成了与石墨类似的层状结构。 其次，从界面原子结构出发深入讨论了BaTiO3/GaN异质结构的电子特性：对于BaTiO3(001)TiO2终端/3C-GaN(001)Ga终端形成的异质结来说，BaTiO3层原子形成张应变，立方BaTiO3结构就趋于形成四方铁电相结构。在界面处，Ti、Ga原子不能成键，Ga、O原子之间也不能成键。而在2H-GaN(0001)N终端面上外延生长BaTiO3(111)Ti终端，BaTiO3形成较小的压应变，但并不产生晶格畸变，且在导带区域里有2.23eV的“赝带隙”。Ti-3d、N-2p轨道之间存在着一定的弱杂化作用，可以成键。其两种异质结构都呈现出金属特性。 接着，基于第一性原理，建立了应变、极化下异质结构材料物理参数获取方法。在上述方法基础上，就BaTiO3(111)与2H-GaN(0001)形成的异质结而言，BaTiO3电子有效质量mn*在GaN作用的双轴应变下减小42％；BaTiO3上的应变GaN电子有效质量减小10％。BaTiO3(111)/2H-GaN(0001)异质结的价带带阶△Ev约为0.77eV，导带带阶△Ev约为0.47eV。铁电BaTiO3/半导体GaN这种新型异质结构基本参数的获取为本项目异质结构性能的准确预测提供了先决条件。 最后，在第一性原理获得异质结构材料参数的基础上，结合铁电极化随外加电场的依赖关系，利用电荷控制模型原理建立起铁电/半导体异质结构层间交换耦合物理模型。研究了三种典型铁电/半导体异质结构(铁电/GaN、铁电/AlGaN/GaN和AlGaN/GaN/铁电)的二维电子气2DEG特征。发现铁电/GaN结构较AlGaN/GaN更易形成增强型器件，大的铁电极化可诱导产生极高浓度的二维载流子气(2DCG)。铁电/AlGaN/GaN结构中，正的铁电极化使GaN沟道的2DEG浓度提高。AlGaN/GaN，铁电双异质结构可在GaN内形成双沟道，载流子浓度提高2倍以上。铁电体上的应变氮化镓(SSOF)，还可进一步提高载流子迁移率，有利于制作高速、高功率器件。
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