Free-carrier screening of polarization fields in wurtzite GaN/InGaN laser structures
采用自洽紧束缚方法研究了纤锌矿GAN/InGaN量子阱激光器中自由载流子对宏观偏振场的屏蔽作用。我们表明，高载流子浓度实验发现在氮化物激光器结构有效地筛选内置的自发和压电极化场，从而诱导一个“无场”的带剖面。我们的结果解释了一些迄今为止令人困惑的实验数据氮化物激光器，如异常高的激光激发阈值和发射蓝移增加激发能级。
1998-09-30 cond-mat.mtrl-sci
Computing Equilibrium Shapes of Wurtzite Crystals: The Example of GaN
晶体形态对于基于低维纳米材料的器件的设计和功能是重要的。平衡晶体形状（ECS）是这方面的关键量。它是由表面能，这是很难获得实验，但通常可以很好地预测的第一原理方法。不幸的是，这对于纤锌矿晶体的极性和半极性表面来说并不一定如此。通过扩展的武尔夫建设的概念，我们证明，ECS仍然可以得到这类材料。以GAN为例，我们根据化学势确定了不同的晶体形状，从而揭示了实验观察到的GAN纳米结构。
2015-08-25 cond-mat.mtrl-sci
Zn-related deep centers in wurtzite GaN
Zn在GAN中形成有效的辐射中心，并作为深受主，使晶体绝缘。到目前为止，已经确定了四种不同的Zn相关中心，导致在1.8 eV和2.9 eV之间的范围内的光发射。本文采用第一性原理方法，利用超软赝势和共轭梯度总能量最小化方法，计算了纤锌矿GAN中Ga取代和异质反位N取代Zn的总能量和电子结构.我们的结果允许确定蓝光发射中心作为替代受体，而与通常的看法相反，Zn_N异反晶系具有非常高的形成能和施主行为，这似乎排除了它作为其他中心的起源。
1996-10-07 cond-mat.mtrl-sci
Precise Radiative Lifetimes in Bulk Crystals from First Principles: The Case of Wurtzite GaN
氮化镓（GAN）是固态照明的关键半导体，但其辐射过程尚未完全了解。在这里，我们展示了准确计算大块单轴晶体辐射寿命的第一原理方法，重点关注纤锌矿GAN。我们计算的辐射寿命在100 K以下与实验非常一致。我们表明，考虑到激子（通过Bethe-Salpeter方程）和自旋-轨道耦合，包括激子精细结构计算准确的辐射寿命是必不可少的。激子解离成自由载流子的模型使我们能够计算辐射寿命到室温。我们的工作使精确的辐射寿命计算III-氮化物和其他各向异性固态发射体。
2020-07-08 cond-mat.mtrl-sci
Wurtzite Effects on Spin Splitting of GaN/AlN Quantum Wells
本文提出了一种新的机制（DeltaC 1-DeltaC 3耦合）来解释纤锌矿GAN的自旋分裂，这种机制源于纤锌矿的本征效应（能带折叠和结构反转不对称）。带折叠效应产生了两个导带（DeltaC 1和DeltaC 3），当kz接近反交叉区时，p波几率发生了巨大的变化。由DeltaC 1-DeltaC 3耦合和纤锌矿结构反转不对称性引起的自旋分裂能远大于传统的Rashba或Dresselhaus效应所估计的自旋分裂能。当我们将这种耦合应用到GAN/AlN量子阱中时，我们发现自旋分裂能可以通过电场敏感地控制。基于这一机理，我们提出了一种p波增强自旋极化场效应晶体管，由InxGa 1-xN/InyAl 1-yN制成，用于自旋电子学应用。
2005-10-31 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Effect of Piezoelectric Polarization on Phonon Relaxation Rates in Binary Wurtzite Nitrides
压电（PZ）极化效应增强了纤锌矿氮化物中的声子群速度。这种增强影响声子弛豫速率。我们计算了二元纤锌矿氮化物（GAN，AlN和InN）中的修正声子弛豫速率，考虑了umklapp过程，点缺陷，位错，边界和声子-电子散射等过程。这一结果对于研究PZ极化对二元纤锌矿氮化物（GAN、AlN和InN）热导率的影响具有重要意义。
2011-09-05 cond-mat.mtrl-sci
Calculated Electronic and Related Properties of Wurtzite and Zinc Blende Gallium Nitride (GaN)
本文报道了纤锌矿和锌镓氮化镓（w-GaN，zb-GaN）的计算、电子和相关性质。我们采用局域密度近似（LDA）势和原子轨道线性组合（LCAO）形式。这种形式主义的实现遵循Bagayoko，Zhao和Williams（BZW）方法，并由Ekuma和Franklin（BZW-EF）进行了改进。计算出的电子和相关性能，为两种结构的GAN，是在良好的协议与相应的，实验数据，不同于大多数以前的从头计算结果利用密度泛函理论（DFT）的潜力。这些结果包括两种结构的电子能带，总态密度和分态密度（DOS和pDOS），以及有效质量。对于w-GaN，计算的带隙为3.29 eV，与实验一致，并且比大多数先前的从头算DFT结果平均大1.0 eV。类似地，对于室温晶格常数，zb-GaN的2.9eV的计算带隙是最接近实验值的从头算DFT结果。
2014-10-03 cond-mat.mtrl-sci
Polar optical phonon states and their dispersive spectra of a wurtzite nitride superlattice with complex bases: transfer-matrix method
基于介电连续介质模型和传输矩阵方法，研究了具有任意层复基底的纤锌矿GaN基超晶格中完全极性光学声子态.证明了在具有$n$层复合基底的纤锌矿氮化物SL中可能存在$2^n$型声子模。得到了纤锌矿GAN/Al $_{x}$ Ga $_{1-x}$ N SL结构中这些模式的声子态解析解及其色散方程。对三层GAN/Al $_{0.15}$ Ga $_{0.85}$ N/AlN复合基底SL进行了数值计算。结果表明，在三层GAN/Al $_{0.15}$ Ga $_{0.85}$ N/AlN复合基底超晶格中，只存在一种界面光学（IO）声子模和四种准受限（QC）声子模。复杂基底超晶格中声子模的色散谱扩展为一系列频带。观察到了QC模退化为IO模的行为。本文的理论方案和数值计算结果对于分析纤锌矿GaN基复合基底超晶格中完全声子模的色散谱及其极化效应是十分有用的。
2011-06-25 cond-mat.mtrl-sci
Experimental determination of Rashba spin-orbit coupling in wurtzite $n$-GaN:Si
采用金属有机物气相外延法在半绝缘GAN：Mn缓冲层上生长了重掺杂$n$的纤锌矿GAN：Si薄膜，研究了其磁输运特性.电导率对磁场和温度的依赖关系被解释的理论，考虑到无序引起的量子干涉的一个电子和多个电子的自交叉轨迹。Rashba参数$α_{\text{R}}\,=\,(4.5 \pm 1)$ meV $Å$的确定，它表明，在以前的研究中的电子相邻的GAN/（Al，Ga）N界面，体反转不对称性是占主导地位的结构反转不对称性。比较了$α_{\text{R}}$在一系列纤锌矿半导体中的实验值和理论值，作为当前相对论从头计算方案的测试。结果表明，电子-电子散射和较小的能量转移是这些系统低温退相干的主要原因。
2014-05-05 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Full optimization of quasiharmonic free energy with anharmonic lattice model: Application to thermal expansion and pyroelectricity of wurtzite GaN and ZnO
本研究提出基于IFC重整化的准简谐近似有限温度结构优化理论，同时优化胞形与原子坐标，准确复现纤锌矿GaN和ZnO的热膨胀及热释电行为，并提出可兼顾效率与精度的约束优化通用方案。
2023-02-09 cond-mat.mtrl-sci
Pinpointing Lattice-Matched Conditions for Wurtzite ScxAl1-xN/GaN Heterostructures with X-Ray Reciprocal Space Analysis
本研究利用X射线倒易空间映射，通过等离子体辅助分子束外延生长不同组分的ScxAl1-xN薄膜，精确定位了其在GaN衬底上的晶格匹配条件（x=0.14），并实现了文献报道中最低的X射线衍射摇摆曲线半高宽。
2024-06-03 cond-mat.mtrl-sci
Electric field effect on the thermal conductivity of wurtzite GaN
氮化镓（GAN）是一种宽禁带半导体材料，由于其高电子迁移率和高击穿电压，在电力电子器件中得到了广泛的应用。其相对较高的热导率使GAN成为此类应用的有利材料，其中散热是器件效率和长期稳定性的主要问题。然而，在GaN基晶体管中，有源区可以承受极强的电场，场效应对热输运性质的影响迄今为止很少引起关注。在这项工作中，我们采用第一性原理方法来研究纤锌矿GAN的声子性质的存在下，沿不同的晶体方向施加的近击穿电场。我们发现，电场通过影响键的刚度和离子性以及晶体的对称性，显着改变热导率，虽然它对声子色散的影响很小。面外电场的存在增加（降低）了平行于（垂直于）电场的热导率，这归因于Ga-N键刚度和离子性的不同变化。当施加面内电场时，沿所有方向的热导率的大幅度降低归因于增强声子-声子散射的晶体对称性破缺。我们的研究提供了深刻的见解极端外部电场的影响声子输运性质的宽禁带半导体。
2021-02-12 cond-mat.mtrl-sci
Luminescence associated with stacking faults in GaN
基面层错是纤锌矿半导体中一类重要的光学活性结构缺陷。纤锌矿基体的2 H堆积向3C锌-尖晶石堆积的局部偏离在基质晶体的间隙中诱导束缚态，导致激子的局域化。由于这些平面缺陷的二维性质，堆垛层错充当量子阱，引起具有特征能量的激子的辐射跃迁。因此，发光光谱法能够检测到，即使是一个单一的堆垛层错，否则完美的纤锌矿晶体。本文综述了GAN中与层错相关的发光特性。与不同类型的堆垛层错的发射能量以及可以转移这些能量的因素进行了讨论。在这种情况下，量子限制的斯塔克效应在这些锌-铌酸盐/纤锌矿异质结，这是从纤锌矿GAN的自发极化的结果，强调的重要性。本文的讨论扩展到纤锌矿基体中的锌-锰链段。此外，其他因素影响的发射能量和线宽的堆垛层错相关的峰，以及在室温下获得的结果进行了解决。本文中提出的考虑也可以转移到其他纤锌矿半导体。
2014-07-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Piezoelectric Electron-Phonon Interaction from Ab Initio Dynamical Quadrupoles: Impact on Charge Transport in Wurtzite GaN
$e$ -ph相互作用的第一性原理计算正在成为电子结构理论的支柱。然而，目前的做法是不完整的。压电（PE）$e$ -ph相互作用是一种非中心对称极性材料中声学声子的长程散射机制，目前还没有精确的描述。目前的计算包括短程$e$ -ph相互作用（通过插值获得）和极性材料中的偶极类Fröhlich长程耦合，但缺乏重要的声学模式和PE材料的四极效应。在这里，我们推导并计算了动态四极子引起的长程$e$ -ph相互作用，并应用此框架研究了PE材料纤锌矿GAN中的$e$ -ph相互作用和载流子迁移率。我们表明，四极子的贡献是必不可少的，以获得准确的$e$ -ph矩阵元的声学模式，并计算PE散射。我们的工作解决了从第一性原理正确计算$e$ -ph相互作用的声学模式的突出问题，并使$e$ -ph耦合和电荷输运在PE材料的研究。
2020-02-19 cond-mat.mtrl-sci
Role of structural relaxations, chemical substitutions and polarization fields on the potential line-up in [0001] wurtzite GaN/Al systems
采用第一性原理全势线性缀加平面波（FLAPW）方法，研究了界面几何形状对[0001]-纤锌矿和[111]-锌锌矿GAN/Al结的压电场和电势分布的影响.电场（极性和大小）被发现强烈影响的原子弛豫的界面区域。一个程序进行测试，以评估肖特基势垒的存在下的电场，并用于显示它们的效果是相当小的（电子伏特的十分之几）。这些计算评估的GAN/Al接触的整流行为，给出了非常好的协议与实验值的障碍。受问题复杂性的刺激，我们通过研究辅助非弛豫氮化物/金属系统来解开化学和结构对相关性质（如电势不连续性和电场）的影响。专注于简单的电负性参数，我们概述了领先的机制，导致在这些理想的界面中的电场和肖特基势垒的最终值。最后，证明了存在两个不等价连接时的传递性规则给出了可靠的结果。
2001-06-19 cond-mat.mtrl-sci
Quantum-Confined Stark Effect in polar and nonpolar Wurtzite InN/GaN Heterostructures: Influence on Electronic Structure and Compensation by Coulomb Attraction
本文系统地分析了极性和非极性纤锌矿-InN/GAN量子点的电子结构及其由于本征场引起的量子限制Stark效应而引起的电子结构变化。这是通过将连续弹性理论与经验紧束缚模型相结合来描述这些氮化物系统中的弹性和单粒子电子性质来实现的。在此基础上，采用多体处理方法确定了光吸收谱。光学跃迁的效率取决于库仑相互作用和量子限制斯塔克效应之间的相互作用。我们引入了一个有效的限制势，它代表了电子结构的影响下的固有极化场和计算所需的库仑相互作用的强度，以减少电子和空穴的分离。
2013-01-11 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Hyperparameter Optimization and Force Error Correction of Neuroevolution Potential for Predicting Thermal Conductivity of Wurtzite GaN
针对机器学习驱动的分子动力学模拟低估纤锌矿GaN等高热导率材料热导率的问题，本研究优化神经进化势（NEP）超参数并实施力误差校正方法，准确预测其室温热导率为259 W/m-K，为宽带隙半导体热管理提供支持。
2025-02-13 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Polarized Emission Lines from Single InGaN/GaN Quantum Dots: Role of the Valence-band Structure of Wurtzite Group-III Nitrides
研究了InGaN/GAN单量子点发射线的偏振特性。用单量子点阴极发光法研究了超薄InGaN量子阱中由调幅分解形成的量子点。发射线在正交晶体方向[1 1 - 2 0]和[-1 1 0 0]上表现出系统的线性偏振，这是六方晶体的非固有对称性。八带k.p计算揭示了一种可以解释所观察到的偏振的机制：如果QD稍微伸长，则激子复合物中的空穴的特性决定了相应发射的偏振方向。涉及A-带孔的过渡极化平行于伸长;涉及B-型孔的过渡极化在正交方向上。两个空穴态的能量分离小于10 meV。导致线性极化的机制并不局限于InGaN量子点，而是应该发生在其他纤锌矿-氮化物量子点和具有类似价带结构的材料中。
2007-11-21 cond-mat.mtrl-sci
Heat capacity and phonon mean free path of wurtzite GaN
本文报道了用热流法在20-300 K和绝热法在5-70 K测量的六方GAN晶格比热。用双温模型对实验数据进行了拟合。对于与温度无关的德拜温度$θ_{\rm D}=365$ { \rm K}和爱因斯坦温度$θ_{\rm E}=880$ { \rm K}，获得了3%精度的最佳拟合。我们将这些温度与态密度函数联系起来。利用我们的结果的热传导系数，我们建立了在温度范围10-100 K的声子平均自由程对温度的显式依赖$\it{l}_{\rm ph}\propto T^{-2}$。在100 K以上，存在Umklapp过程贡献的证据，该过程在高温下限制了声子自由程。对于能量为$k_{\rm B}\times 300 $ { \rm K}的声子，平均自由程为100 { \rm nm}的量级
2006-04-12 cond-mat.mtrl-sci
Lattice-Constant and Band-Gap Tuning in Wurtzite and Zincblende BInGaN Alloys
InGaN发光二极管（LED）比白炽灯和荧光灯照明更高效且成本效益更高，但晶格失配限制了可以在GAN上生长而不会降低性能的位错的InGaN层的厚度。在这项工作中，我们采用混合密度泛函理论计算研究的热力学稳定性，晶格参数，和带隙的纤锌矿和锌的四元BInGaN合金。我们发现，纤锌矿相是更稳定的，可以晶格匹配的GAN的BInGaN组合物含有高达30%的硼。与GAN的晶格匹配降低了应变，并实现了更厚的有源层，这减轻了俄歇复合并提高了LED的效率。合金的带隙在整个可见光谱中保持可调。我们的研究结果表明，BInGaN合金是有前途的替代InGaN的高效率，高功率LED。
2019-08-01 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Energetics, electronic structure and electric polarization of basal stacking faults in wurtzite GaN and ZnO
本文利用 DFT 结合修正 Becke-Johnson 泛函研究纤锌矿 GaN 和 ZnO 中基面堆垛层错的能量、电子结构与极化性质，揭示其带隙降低及极化参数变化趋势。
2023-11-29 cond-mat.mtrl-sci
Thermal conductivity for III-V and II-VI semiconductor wurtzite and zinc-blende polytypes: the role of anharmonicity and phase space
我们使用$\textit{ab initio}$计算和求解声子玻尔兹曼输运方程计算了8种半导体的立方相（锌-尖晶石）和六方相（纤锌矿）的晶格热导率（$κ$），解释了两相之间的比率$κ_{\rm hex}/κ_{\rm cub}$的不同行为。我们发现，这种行为取决于两个对抗因素的相对重要性：非谐性，我们发现总是在立方相较高;和可访问的相空间，这是较高的对称性较低的六方相。在此基础上，我们开发了一种方法，预测最导电的阶段-立方或六边形-在其他更启发式的方法失败。我们还提出了由相同材料制成的纳米线的结果，显示了通过修改其直径在宽范围内调谐$κ_{\rm hex}/κ_{\rm cub}$的可能性，从而使它们成为复杂的声子和热电应用/系统的有吸引力的材料。
2019-09-05 cond-mat.mtrl-sci
First principles investigation of thermal conductivity in Magnesium Selenide(MgSe) with different crystalline phase
硒化镁（MgSe）是一种宽带隙半导体材料，在光电子和能量转换技术中有着广泛的应用。了解MgSe的热导率（k）对于这些应用中热传输的优化设计至关重要。在这项工作中，我们报告的温度和长度依赖的晶格热导率的硒化镁（MgSe）与不同的结晶相，锌，岩盐，纤锌矿和镍砷，使用第一性原理计算。计算结果表明，不同相的MgSe的热导率（k）存在显著差异。观察到的热导率趋势为：kNiAs <k岩盐< kwurtzite <kzincitte。我们的第一性原理计算表明NiAs相的室温低k值为4.5 W/mK-1，纤锌矿相的室温高k值为20.4 W/mK。这些差异解释的声子带隙的振动光谱中的氧化锌和纤锌矿相，抑制散射的声学声子，导致高的声子寿命。
2021-01-29 cond-mat.mtrl-sci
Carrier-induced refractive index change and optical absorption in wurtzite InN and GaN: Fullband approach
在全带电子结构计算的基础上，我们首先考虑了n型掺杂对纤锌矿InN和GAN的光吸收和折射率的影响。我们确定在任何一种情况下完全不同的介电响应，而InN显示出显着的转变，由于n型掺杂的吸收边，这是掩盖GAN由于有效的取消Burstein-Moss效应的带隙重整化。对于高掺杂水平的InN的带内吸收变得显着。此外，我们观察到，自由载流子等离子体的折射率变化的贡献变得更重要的比带填充和带隙重整为电子密度以上的10 $^{19}$ ~cm $^{-3}$在GAN中，和10 $^{20}$ ~cm $^{-3}$在InN中。由于上述两个不同的特性，与GAN相比，InN中由于n型掺杂引起的折射率的总体变化高得多，在1.55~ $μ$ m波长处，对于10 $^{19}$ ~cm $^{-3}$的掺杂，InN中的折射率的总体变化超过4%。最后，我们考虑在强光激发下的本征InN，它引入了等密度的电子和空穴热化到各自的带边。观察到在1.55-$μ$ m处的折射率的变化类似于n掺杂的情况，直到载流子密度为10 $^{20}$-cm $^{-3}$。然而，在光激发的情况下，由于$Γ^v_5 \to Γ^v_6$价带内跃迁，这现在伴随着在该波长区域中的强吸收。我们的研究结果表明，在$_x$ Ga $_{1-x}$ N的合金组合物可以在富铟区进行优化，以便受益于高载流子诱导的折射率变化，同时在透明区操作，以最大限…
2010-04-22 cond-mat.mtrl-sci
Spin orbit coupling in bulk ZnO and GaN
利用群论和类Kane-like $\mathbf{k\cdot p}$模型，结合Löwdining配分方法，导出了纤锌矿半导体中电子和空穴的自旋轨道耦合表达式，包括由本征结构反转不对称性引起的线性$k$ Rashba项和由体反转不对称性引起的立方$k$ Dresselhaus项.分别采用最近邻$sp^3$和$sp^3s^\ast$紧束缚模型计算了纤锌矿结构的ZnO和GAN以及闪锌矿结构的GAN的电子和空穴Dresselhaus项系数。
2008-09-20 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Polarons in Wurtzite Nitride Semiconductors
从一阶电子-声子修正到自能，计算了纤锌矿晶体结构半导体的极化子结合能和有效质量。计算中采用了一个最近引入的类Frohlich电子-声子相互作用哈密顿量，该哈密顿量考虑了由于各向异性而引起的LO和TO极化的混合。极化子阻尼率有限温度下进行了评估。数值结果报告GAN。结果表明，电子-声子耦合是足够强的，以证明列入二阶修正的必要性。
1998-12-01 cond-mat.mtrl-sci
Machine-Learned Atomic Cluster Expansion Potentials for Fast and Quantum-Accurate Thermal Simulations of Wurtzite AlN
Tsinghua University（清华大学）；University of Oxford（牛津大学）
本文基于原子簇展开框架开发了机器学习原子间势，用于快速且量子精度地模拟纤锌矿AlN的声子输运与热导率，并揭示了双轴应变对其热导率的重要调控作用。
2024-01-21 cond-mat.mtrl-sci cs.LG physics.comp-ph
Giant polarization charge density at lattice-matched GaN/ScN interfaces
岩盐ScN是一种与纤锌矿GAN具有小晶格失配的半导体。在现代极化理论中，ScN沿着[111]方向具有非零形式极化。结果表明，在（0001）GAN和（111）ScN的界面上存在一个大的极化不连续性，其极化强度为$-$ 1.358 $\rm Cm^{-2}$ . ScN和纤锌矿III族氮化物之间的界面将在（000 $\bar{1}$）GAN界面上呈现高密度电子气或在（0001）GAN界面上呈现空穴气，其中载流子浓度高达$8.5 \times 10^{14}$ cm $^{-2}$。大的极化差异和小的应变使得ScN成为III族氮化物材料系统内的极化增强隧道结的理想选择。大的片状载体密度也可用于接触或电流扩散层。
2019-12-19 cond-mat.mtrl-sci
Comments on "Band gap and band parameters of InN and GaN from quasiparticle energy calculations based on exact-exchange density-functional theory" [Appl. Phys. Lett. 89, 161919 (2006)]
忽略了Rinke等人对纤锌矿和立方InN以及纤锌矿GAN的带隙的一些先前的密度泛函计算[Appl.Phys.Lett. 89，161919，2006]导致了相对于密度泛函理论（DFT）描述这些材料的电子性质的局限性的不准确和误导性的陈述。这些评论是针对这一声明提出的。特别是，他们表明，一些局域密度近似（LDA）计算已经正确地描述或预测这些系统的电子和相关性质[物理评论B 60，1563，1999;应用物理杂志96，4297，2004和97，123708，2005]。这些成功的计算自洽地解决了定义LDA的方程组，即，Kohn-Sham方程和根据占据态的波函数给出基态电荷密度的方程。
2011-02-02 cond-mat.mtrl-sci
Theoretical study of current density for InN and GaN-based Gunn diode operating in transit-time mode
首次报道了纤锌矿相氮化铟（InN）基垂直结构耿氏二极管在1 μm有源长度下的频率响应和相应的电流密度。利用所提出的数学方程还研究了畴生长的时空动态、畴速度的变化以及畴外场对畴场的影响。已发现，InN基耿氏二极管能够在300 K下以691 kA/cm 2的电流密度在224 GHz附近工作。为了比较的目的，所有这些特性已被评估为不同的有效长度的纤锌矿相氮化镓（GAN）的基础上的耿氏二极管。模拟结果与其他GaN基耿氏二极管的报道一致。
2010-06-30 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Rethinking Polarization in Wurtzite Semiconductors
本文针对纤锌矿半导体GaN中极化现象的直接实验测量结果与传统理论预期存在显著差异的问题，提出需对现有理论范式进行批判性反思与方法论改进，以整合新观察结果并减少领域内的误解。
2024-03-26 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Consistent set of band parameters for the group-III nitrides AlN, GaN, and InN
我们已经推导出一致的组的带参数（带隙，晶体场分裂，带隙变形势，有效质量，Luttinger和EP参数）的AlN，GAN，和InN的锌-ZnO和纤锌矿相采用多体微扰理论在G 0 W 0近似。G 0 W 0方法已与密度泛函理论（DFT）计算相结合的精确交换优化有效势方法（OEPx），以克服局部密度或梯度校正的DFT泛函（LDA和GGA）的局限性。伽马点附近的能带结构已被用于直接参数化4 × 4 k.p哈密顿量，以捕获导带中的非抛物性和纤锌矿相的更复杂的价带结构。我们证明，以这种方式得到的带参数与现有的实验数据非常吻合，并提供可靠的预测，迄今为止尚未确定的所有参数的实验。
2008-01-02 cond-mat.mtrl-sci
Topological effects of phonons in GaN and AlxGa1-xN: A potential perspective for tuning phonon transport
半导体纳米结构中热输运的调节对于信息和电力电子的热管理具有重要意义。拓扑声子表面态具有优良的输运特性，如弹道输运、对点缺陷和无序的免疫性以及禁戒背散射等，在解决这一问题方面显示出巨大的潜力。在这里，拓扑声子分析六方纤锌矿GAN进行检查声子的拓扑特性。和相同家族的其它氮化物，即，AlN和AlGaN合金，也从拓扑声子相变的角度进行了计算。借助第一性原理计算和拓扑声子理论，我们研究了所有这些材料的Weyl声子态，即无背散射的表面态。结果表明，GAN中不存在非平凡的拓扑声子态。然而，通过引入Al原子，即，在纤锌矿型AlN和AlGaN中，发现了不止一个Weyl声子点，这一点被明显的拓扑特征所证实，包括非零整数拓扑电荷、Berry曲率分布中的源/汇、表面局域态密度和表面弧。由于AlN和AlGaN是AlGaN/GAN异质结电子器件中的典型材料，它们中拓扑声子态的存在将通过促进无背散射的单向界面声子输运的设计而有利于热管理。
2021-01-10 cond-mat.mtrl-sci
First-principles study of electronic and optical properties in wurtzite Zn_{1-x}Cd_xO
第一性原理研究已经进行了评估的电子和光学性质的纤锌矿Zn 1-xCdxO的x=0.25。在密度泛函理论的框架内，我们采用了Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）形式的广义梯度近似。在不同的配置中进行了计算。随着Cd掺杂浓度的增加，Zn_（1-x）Cd_xO导带中s态的增加导致禁带宽度减小。介电函数虚部的计算结果表明，随着Cd掺杂浓度的增加，最高价带的O 2 p态和最低导带的Zn 4 s态之间的光学跃迁向低能区移动.此外，光学带隙从3.2到2.84 eV的增加镉浓度从0到0.25。同时，弯曲参数b，这已经通过拟合的光学带隙的结果得到，约为1.21 eV。讨论了纯ZnO和Zn0.75Cd0.25O的光学常数，如电导率、损耗函数、折射率和反射率。
2012-09-30 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Phonon thermal transport properties of GaN with symmetry-breaking and lattice deformation induced by the electric field
电场普遍存在于半导体电子结构中，对声子的热输运产生影响。此外，它是一种常用的方法来调整固体中的热传输。本文采用第一性原理计算，从对称性破缺和晶格形变的角度研究了纤锌矿和锌锌矿结构GAN在有限电场下的声子和热输运性质。研究了电场对Zn掺杂GAN声子输运性质的影响，包括电子密度分布响应和晶格变化响应对声子色散和热导率的影响。结果发现，前者有一个小的，但定性的影响声子色散关系，即，声子分支的分裂，因为它打破了锌晶格的对称性。后者影响晶格对称性和尺寸，导致声子性质的显著变化和热导率的增加。在纤锌矿GAN中，在有限电场作用下，空间群守恒的晶格变化仅在晶格变形的情况下进行了研究，其中热导率在电场作用下随着各向异性的增加而显著降低，这与锌掺杂GAN的变化有很大不同。本文的工作为GaN基信息和电力电子器件的热管理提供了参考。
2021-06-29 cond-mat.mtrl-sci
First-principles band alignment engineering in polar and nonpolar orientations for wurtzite AlN, GaN, and B$_x$Al$_{1-x}$N alloys
Arizona State University（亚利桑那州立大学）
本文通过密度泛函理论等方法计算了B$_x$Al$_{1-x}$N在不同取向下的能带对齐，发现低xB$_x$Al$_{1-x}$N/AlN具有近零价带对齐，高xB$_x$Al$_{1-x}$N则呈现I型或II型对齐，为高电子迁移率晶体管和紫外发光二极管设计提供指导。
2025-12-01 cond-mat.mtrl-sci
Electron transport in GaN(ZB) and AlN(WZ)
为了更好地理解n型掺锌GAN和纤锌矿AlN中的电子输运，本文采用非平衡统计算符方法进行了理论研究，该方法提供了一组耦合的非线性微分演化方程，该方程描述了系统中的耗散现象.电子漂移速度的超快时间演化（和稳态）得到假设不同的值的电子有效质量。
2021-10-02 cond-mat.mtrl-sci
Theoretical evidence for efficient p-type doping of GaN using beryllium
从头计算预测，在GAN中的Be是一个浅受主。其热电离能为0.06 eV的纤锌矿GAN中，该水平是在锌相的价共振。Be的掺入受到Be_3N_2形成的严重限制。然而，我们表明，与反应性物种的共掺入可以提高溶解度。H-辅助掺入应导致MOCVD生长后在约850 K退火后的高掺杂水平。Be-O共掺入在MBE生长温度下产生高Be和O浓度。
1997-02-24 cond-mat.mtrl-sci
ScN/GaN($1\bar{1}00$): a new platform for the epitaxy of twin-free metal-semiconductor heterostructures
本文研究了岩盐相ScN在纤锌矿GaN($1\ar{1}00$)表面上的分子束外延，发现特定外延关系可实现无孪晶结晶与低缺陷界面，为晶格匹配的金属-半导体异质结构外延开辟了新平台。
2024-02-01 cond-mat.mtrl-sci
Mobility in N-Doped Wurtzite III-Nitrides
报道了n掺杂纤锌矿Ⅲ族氮化物迁移率的研究。我们已经确定了III-氮化物系统的非平衡热力学状态，驱动远离平衡由一个强大的电场，在稳定状态下，随后一个非常快的瞬态。导出了迁移率随电场强度的变化关系，迁移率随电场强度的增大而减小。我们分析了电子散射的不同渠道，即极性光学，变形，压电，与声子的相互作用，并与杂质所产生的迁移率的贡献。对n-InN、n-GaN和n-AlN的情况进行了分析：正如预期的那样，主要贡献来自这些强极性半导体中的偏振光相互作用。其他的相互作用是在降序，变形声学，压电，和一个由于杂质。
2021-10-02 cond-mat.mtrl-sci
First-principles study of pyroelectricity in GaN and ZnO
利用第一性原理计算计算了纤锌矿GAN和ZnO的初级热释电系数。热电性归因于内部应变的准谐热位移（携带玻恩有效电荷的阳离子和阴离子的内部位移）。初级（零外部应变）热电性在低温下占主导地位，而次级热电性（外部热应变的校正）在高温下与初级热电性相当。声学和光学声子模对初级热释电系数的贡献分别由相应的德拜函数和爱因斯坦函数描述。
2016-03-02 cond-mat.mtrl-sci
Low Leakage Ferroelectric Heteroepitaxial Al$_{0.7}$Sc$_{0.3}$N Films on GaN
该研究在GaN上制备Al$_{0.7}$Sc$_{0.3}$N铁电薄膜，证明晶体镶嵌性不主导漏电，实现0.07 A cm$^{-2}$的低漏电流，较文献低1-2个数量级，并揭示InGaN缓冲层对漏电的影响。
2024-07-19 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Epitaxial Ferromagnetic Nanoislands of Cubic GdN in Hexagonal GaN
采用等离子体辅助分子束外延技术在单晶GAN基体中制备了周期结构的GdN颗粒。高分辨X射线衍射分析表明，GdN岛，岩盐结构的外延取向的纤锌矿GAN基体。扫描透射电子显微镜结合原位反射高能电子衍射允许岛的形成动力学，发生后1.2单层的GdN覆盖的研究。磁性测定揭示了两个铁磁相，一个是由于GdN颗粒的居里温度为70 K，第二个是异常的室温相。
2012-03-23 cond-mat.mtrl-sci
Effect of Piezoelectric Polarization on Phonon group velocity in Wurtzite Nitrides
研究了压电极化特性对二元和三元纤锌矿氮化物声子群速度的影响。研究发现，随着PZ偏振特性的存在，声子群速度发生了改变。由于PZ极化效应引起的声子群速度的变化直接取决于压电张量的大小。利用文献中不同工作者推荐的不同压电张量值，估算了声子群速度的变化率。用修正的群速度计算了GaN、AlN和InN的德拜温度和频率。计算了三元氮化物AlxGa（1-x）N，InxGa（1-x）N和InxAl（1-x）N的声子群速度随组分的变化.在三元合金的声子群速度中观察到一个小的正弯曲。声子群速度的百分比变化也计算了三元氮化物之间的直接比较。当考虑压电极化特性时，预计结果将显示III族氮化物的声子弛豫速率和热导率的变化。
2011-10-31 cond-mat.mtrl-sci
Room temperature green light emissions from nonpolar cubic InGaN/GaN multi quantum wells
通过采用自支撑3C-SiC（001）衬底和优化InGaN量子阱生长，获得了具有高结构和光学质量的立方InGaN/GAN多量子阱。超晶格峰高达5阶清楚地解决了在X射线衍射。我们观察到明亮的绿色室温光致发光（PL）的c-InxGa 1-xN/GAN多量子阱（x=0.16）。在300 K时，PL半峰全宽约为240 meV。PL强度随着阱厚度的增加而增加，从而证明不存在可以限制基于纤锌矿III族氮化物的器件的性能的偏振场。多余载流子的扩散长度约为17 nm。
2007-02-05 cond-mat.mtrl-sci
Simulating lattice thermal conductivity in semiconducting materials using high-dimensional neural network potential
我们证明了一个高维神经网络势（HDNNP）可以预测的半导体材料的晶格热导率与密度泛函理论（DFT）计算的准确性。在基于力的训练过程之后，由HDNNP和DFT预测的力之间的均方根误差小于40 meV/m2。作为典型的例子，我们提出了Si和GAN体晶体的结果。与使用DFT计算的热导率的偏差对于Si在200至500 K在1%以内，对于GAN在200至1000 K在5.4%以内。
2019-05-21 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
Effective bond-orbital model of III-nitride wurtzite structures based on modified interaction parameters of zinc-blende structures
提出了一种推导三族氮化物纤锌矿半导体有效键轨道模型的简单理论方法。在该模型中，基于双中心近似，采用锌-铅（ZB）结构的相互作用参数作为WZ结构的初始猜测。因此，III族氮化物WZ半导体的电子能带结构可以通过利用这组参数来产生，所述参数被修改为包括由于三中心积分引起的效应并且与第一性原理计算拟合。详细的半经验拟合过程，用于构建体III族氮化物WZ半导体的EBOM哈密顿量。电子能带结构的体AlN，GAN，和InN与WZ结构的EBOM与修改后的相互作用参数计算和比较从密度泛函（DFT）理论与亚广义梯度近似（mGGA）得到的结果。通过使用遗传算法进一步优化参数集。最后，分析了用最佳拟合参数的模型计算的能带结构和带心附近的电子（空穴）有效质量，并与$\mathbf{k}\cdot \mathbf{p}$模型进行了比较。
2019-11-04 cond-mat.mtrl-sci
Ultra-wide-band-gap group-III nitrides are of interest for applications in deep-ultraviolet optoelectronics and power electronics. Such devices must be able to efficiently dissipate heat generated from their operation, making the thermal conductivity of the constituent materials an important parameter for high-power applications. We have investigated the phonon-limited thermal conductivity of AlN, GaN, and Al$_x$Ga$_{1-x}$N using first-principles calculations, with a focus on the effects of compositional and isotopic disorder. Our Boltzmann-transport-equation calculations show that the maximum…
2019-10-11 cond-mat.mtrl-sci
Optical characterization of GaN by N+ implantation into GaAs at elevated temperature
通过在400 ℃下注入50 keV的N+，然后在900 ℃下在N2气氛中退火15 min，在GaAs中合成了六方纤锌矿和立方锌混合GAN相。晶体结构和拉曼散射研究表明，GAN相生长的能量密度高于2 × 1017 cm-2。温度依赖的光致发光研究表明，在温度<= 200 K时，直接带-带跃迁峰约为3.32eV。相对于GAN的六方相的~ 3.4eV和立方相的~ 3.27eV的中间带隙值指示混合的六方相和立方相的形成。
2007-08-16 cond-mat.mtrl-sci
Momentum selectivity and anisotropy effects in the nitrogen K-edge resonant inelastic X-ray scattering from GaN
给出了纤锌矿GAN的N-K边附近的高分辨软X射线发射谱和吸收谱。实验数据解释的能带结构为基础的全电位电子结构计算。与考虑芯孔屏蔽的计算结果相比，吸收光谱表明吸收过程中存在部分芯孔屏蔽。的共振发射光谱表现出显着的光谱结构的分散体，识别由于共振非弹性X射线散射（RIXS）与GAN的各向异性电子结构的动量守恒的影响。鉴于GAN广泛的光电应用，我们在RIXS中的动量选择性的研究结果可以用于通过控制GAN纳米结构的直接与间接带隙特性来开发基于GAN的纳米电子器件。
2004-12-12 cond-mat.mtrl-sci
Multi-phonon Raman scattering in GaN nanowires
紫外拉曼散射研究表明，纤锌矿GAN纳米线系统中的纵向光学（LO）模式高达4阶。电子与离子键合GAN的长程静电场的Frohlich相互作用引起LO声子模的增强。晶体学和发光研究表明，良好的晶体质量被认为是导致这一重要观察结果的原因。计算的尺寸依赖性，结合尺寸校正的介电常数，电子-声子相互作用能与测量值吻合良好，也预测更强的相互作用能比直径小于3 nm的散装。
2007-08-16 cond-mat.mtrl-sci
Effects of nano-void density, size, and spatial population on thermal conductivity: a case study of GaN crystal
晶体的热导率对表面和纳米级缺陷的存在很敏感。虽然这为定制热导率提供了巨大的机会，但只有当热导率对缺陷密度、尺寸和空间分布的依赖性被理解和量化时，才能实现用于特定电子或热电应用的纳米晶体的真正“声子工程”。不幸的是，纳米级缺陷的影响的实验研究是相当具有挑战性的。虽然分子动力学模拟在计算热导率方面是有效的，但是可以利用可行的计算资源探索的缺陷密度范围是不切实际的高。因此，以前的工作还没有产生一个充分详细的了解热导率对纳米缺陷的依赖。以GAN为例，结合物理解析模型和高收敛的大规模分子动力学模拟，研究了缺陷对热导率的影响。导热系数作为空隙密度，尺寸和人口的函数的解析表达式已被推导和证实的模型，模拟和实验。
2012-07-13 cond-mat.mtrl-sci
Cross-plane thermal conductivity of GaN/AlN superlattices
由交替的GAN/AlN外延层组成的异质结构代表了用于主动冷却和节能闪电的最先进器件的构建块。深入了解这些结构的热传导对于改善未来应用的热管理至关重要。在这里，作为层的厚度的函数的GAN/AlN超晶格的交叉平面（垂直于样品的表面）的热导率通过采用$3ω$ -方法建立。此外，相互扩散的作用在界面上的声子散射被考虑在建模和数据处理。据发现，跨平面的外延异质结构的热导率可以被驱动到低至5.9 W/（m $\cdot$ K）的值与那些报道的非晶薄膜相媲美，从而打开广泛的前景，优化热管理III族氮化物为基础的外延多层膜。
2021-02-12 cond-mat.mtrl-sci
Hole mobility of strained GaN from first principles
氮化物半导体普遍存在于诸如LED和蓝光光盘的光电子器件中。GAN在电力电子中进一步采用的主要限制是其低空穴迁移率。为了解决这一问题，我们采用从头算玻尔兹曼输运理论研究了纤锌矿GAN的声子限制迁移率，包括所有的电子-声子散射过程、自旋-轨道耦合和多体准粒子能带结构.我们表明，流动性主要由声学变形势散射，我们预测，空穴流动性可以显着增加，通过解除上述轻，重空穴分裂空穴状态。这可以通过经由应变或经由通过超快红外光脉冲相干激发A $_1$光学声子来反转晶体场分裂的符号来实现。
2019-08-06 cond-mat.mtrl-sci
