半导体中霍尔迁移率与漂移迁移率的第一性原理预测
材料科学
2021-10-13 v1
摘要
过去十年中,真实材料中无参数载流子迁移率计算取得了显著进展;然而,各种近似的作用仍不清楚,且缺乏统一的方法论。在此,我们提出并分析了一种在基于第一性原理的玻尔兹曼输运方程框架内计算半导体本征、受声子限制的漂移与霍尔载流子迁移率的全面且高效的方法。该方法利用一种估算四极张量并将其纳入电子-声子相互作用的新途径,并借助严格且高效的数值收敛流程。本工作达到的精度可评估常见近似,包括交换关联泛函、自旋轨道耦合、赝势、Wannier 插值、布里渊区采样、偶极与四极修正以及弛豫时间近似的作用。在十种原型半导体(即金刚石、硅、GaAs、3C-SiC、AlP、GaP、c-BN、AlAs、AlSb 和 SrO)上展示了详细分析。通过将这一广泛数据集与可用实验数据比较,我们探究了这些化合物中受声子限制的载流子输运与磁输运现象的本征性质。我们发现最精确的计算预测的霍尔迁移率比实验数据大至多两倍;这可能指向样品质量方面有前景的实验改进,或密度泛函理论在预测载流子有效质量和过屏蔽电子-声子矩阵元方面的局限性。通过设定可靠性与可重复性的严格标准,本工作旨在促进半导体输运现象预测性计算的数据与软件验证。
引用
@article{arxiv.2105.04192,
title = {First-principles predictions of Hall and drift mobilities in semiconductors},
author = {Samuel Ponce and Francesco Macheda and Elena Roxana Margine and Nicola Marzari and Nicola Bonini and Feliciano Giustino},
journal= {arXiv preprint arXiv:2105.04192},
year = {2021}
}
备注
40 pages and 26 figures