关于氮化镓的晶体学
氮化镓(GaN)是一种重要的半导体材料,广泛应用于高频电子、光电子、微电子等领域。了解氮化镓的晶体结构、晶格常数、电子态密度等晶体学特性对于研究和应用氮化镓非常重要。
一、晶体结构
氮化镓的晶体结构属于六方晶系,空间群为P63mc。其晶格常数为a = 3.186 Å,c = 5.186 Å。氮化镓的基矢为Ga在(0, 0, 0)和(1/3, 2/3, 1/3)两个位置,N在(0, 0, 3/8)和(1/3, 2/3, 7/8)两个位置。对应的Wyckoff符号分别是2a、3m、2a、2b。
二、晶体缺陷
氮化镓的晶体缺陷可以是Ga或N的空位缺陷。研究表明,Ga空位缺陷可以使氮化镓的晶格常数c增加,而N空位缺陷可以使氮化镓的晶格常数c减少。同时,空位缺陷也可以影响氮化镓的能带结构和电子态密度。
图1展示了五种模型的差分电子密度分布,表明Ga-N键的电子云集中在N原子附近,具有明显的离子性。图1a中可以看到Ga-N键的电子云集中在N原子附近,Ga-N键具有明显的离子性。图1b、c中由于存在Ga空位,电子云更加分散,使键作用增强,晶格常数c增加,导带向高能方向移动,价带向低能方向移动,导致禁带宽度增加。图1d、e中存在N空位,随着N空位浓度逐渐增加,电子态密度下降,导致Ga-N的结合能减弱,价带向低能方向移动,导带也向低能方向移动,但相对于价带的移动较小,且随着N空位的增加导带又反向向高能方向移动得更多,所以随着N空位的增加,GaN的禁带宽度在不断地增加。
三、电子态密度
图2展示了五种模型的电子态密度图谱,可以看出Ga0.875N、Ga0.750N与理想GaN的态密度峰值几乎出现在同样位置,而总态密度低于理想GaN的。图2(c)中GaN0.875、GaN0.750态密度峰值出现位置与理想GaN相差很大,由于费米能级附近的电子态密度决定其电导率的大小,所以N缺陷对GaN的电导率影响较大。
Ga、N的空位缺陷会使氮化镓晶格发生畸变,带隙变宽,从而影响其电学性能。了解氮化镓的晶体结构、晶格常数、电子态密度等晶体学特性对于研究和应用氮化镓非常重要。