GaN 中原生点缺陷的施主与受主特性

氮化镓的半导体行为和光电响应由点缺陷过程主导，尽管经过多年研究，这些过程仍知之甚少。描述主导带电缺陷的关键难点在于确定相应缺陷能级的一致位置，这很难使用标准超胞计算推导得出。在一种互补的方法中，我们利用嵌入式团簇方法，该方法为所有电荷态的所有点缺陷提供了对静电势共同零点的直接访问。带电缺陷通过长程力极化主体介电材料，这强烈影响缺陷模拟的结果；为了考虑这种极化，我们将嵌入与混合量子力学/分子力学（QM/MM）方法相结合，在化学精度的混合密度泛函理论水平上，研究了纤锌矿 GaN 中原生点缺陷的结构、形成能和电离能以及平衡浓度。氮空位是 GaN 中热力学最有利的原生缺陷，它们对生长态 GaN 的 n 型特性有贡献，但并非主要来源，这一结果与实验一致。我们的计算表明，没有原生点缺陷能够形成热力学稳定的受主态。GaN 可以容易地进行 n 型掺杂，但在中等温度的平衡条件下，受主掺杂剂将被氮空位补偿，并且不会观察到显著的空穴浓度，这表明非平衡过程必定在 p 型 GaN 中占主导地位。我们确定了原生缺陷在红外、可见和紫外发光范围及互补光谱学中的光谱特征。关键的是，我们计算了与束缚在弥散轨道中的电子和空穴相关的有效质量类态能级……