纤锌矿InN的表面结构和氧吸附的第一原理研究

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近几年纤锌矿InN半导体已成为人们关注的课题之一,本文利用基于密度泛函理论的第一原理总能计算方法,采用超原胞模型,研究了InN(0001)和(000(-1))两个极性面的表面结构,并进一步研究了氧在其上的吸附。 首先研究了InN的表面结构。对于(0001)面,在富In的环境下,两层In吸附结构要比一层In吸附结构稳定,而1×1的In吸附结构要比2×2上吸附相等数量In的结构更稳定。在富N的环境下,在所有计算的吸附结构中2×2的N原子在H3位吸附具有最低的能量。在In化学势的整个变化范围内,和1×1的弛豫结构相比吸附结构基本上都不是稳定结构,只有两层In的吸附在富In的环境下表现出了稳定性,即最稳定的结构。对于InN(000(-1))面研究的所有高对称点的吸附和空位结构,无论是In吸附还是N吸附结构和干净表面相比都是相对稳定的。(000(-1))面In吸附表现出与(0001)面相反的结果,在富In的环境下,2×2的In在H3位吸附要比1×1上的吸附结构稳定,1×1的In吸附在Top位比其它的吸附位稳定。然而在富In的环境下,2×2的N空位结构是最稳定的结构,在富N的情况下2×2的N吸附在T4位是最稳定的结构。 氧在InN表面的吸附,超原胞模型选取为2×2的六个InN双原子层为基底,在表面上分别考虑吸附1/4层、1/2层、3/4层和1层氧原子。计算结果表明氧在氮化铟表面的吸附有较大的吸附能。对于InN(0001)面,一个氧原子吸附在2×2的H3位是最稳定的结构,氧吸附原子的吸附能随氧覆盖度的增加而减小。低的氧覆盖率对应着实际的生长环境,在实际的生长过程中,可能有少量的氧存在,在这种低的氧覆盖度下InN(0001)表面很容易和氧发生作用,形成较强的化学键,即InN中形成氧杂质,进而影响InN的电子浓度和能带结构。对于InN(000(-1)),一层氧原子吸附在T4位是最稳定的结构,氧吸附原子的吸附能随氧覆盖度的增加而增加。在衬底In原子之上,吸附位置很大的弛豫到表面N原子层以下,这个结果表明,在InN(000(-1))的N原子很可能被氧原子替代。表面电子态密度也表明了吸附了1层氧原子后,InN表面的态密度有很大的降低,这主要是表面In原子的悬挂键被氧原子部分的饱和。氮化铟表面氧吸附结构的吸附能和态密度都说明InN表面很容易被氧化,氧的掺入很可能是造成InN晶体高电子浓度和宽带隙的直接原因。这与实验结果是一致的。
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