鐵磁金屬摻雜GaAs光電磁性能的第一性原理研究＊

付斯年，李聰

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鐵磁金屬摻雜GaAs光電磁性能的第一性原理研究＊

付斯年，李聰

（牡丹江師范學(xué)院物理系，黑龍江省新型碳基功能與超硬材料重點實驗室，黑龍江 牡丹江 157011）

利用第一性原理平面波超軟贗勢法，模擬計算了鐵磁金屬摻雜纖鋅礦GaAs超晶格體系的能帶寬度、態(tài)密度分布與光譜結(jié)構(gòu)。計算結(jié)果表明，鐵磁金屬摻雜導(dǎo)致?lián)诫s體系產(chǎn)生自旋磁矩，并且與純凈體系相比，鐵磁金屬摻雜引起了體系光譜和態(tài)密度的改變。

第一性原理；能帶結(jié)構(gòu)；態(tài)密度；半導(dǎo)體

1 前言

纖鋅礦GaAs是第三代直接帶隙寬禁帶半導(dǎo)體，由于其具有高的電子遷移率和較高的擊穿電壓以及耐腐蝕耐高溫的特點，而引起人們廣泛關(guān)注。此外，GaAs半導(dǎo)體兼具電荷與電子自旋磁矩屬性，可作為一種稀磁半導(dǎo)體實現(xiàn)自旋光電子器件的極化電子有效注入。近年來，實驗上對GaAs及其摻雜體系做了大量分析研究。目前，可通過金屬有機氣相沉積法[1]實現(xiàn)對GaAs基體的Fe摻雜。另外，分子束外延法[2]也被證實是實現(xiàn)Co摻雜GaAs材料的有效方法。同時，化學(xué)氣相沉積法[3]也被用于制備Ni摻雜GaAs薄膜。然而，關(guān)于鐵磁金屬摻雜GaAs體系的光電特性及磁性機理理論計算還鮮有報道。本文基于密度泛函理論，利用第一性原理通過平面波超軟贗勢法分析了鐵磁金屬摻雜GaAs體系的態(tài)密度、磁性機理與能帶結(jié)構(gòu)。本文所有模擬計算都基于CASTEP軟件完成，并利用當前較流行的GGA+近似方法描述相鄰電子交互作用，所得結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)相符。

2 計算模型與模擬參數(shù)

GaAs在自然條件下具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)，本文所討論的GaAs超晶格體系含有多個原子，由2個六方密積格子沿著正半軸方向平移套構(gòu)形成[4]。如圖1所示，GaAs的配位體呈正四面體，其中每個Ga離子被位于四面體頂點的4個As離子包圍。本文的計算工作是分別在超晶格纖鋅礦相GaAs 超胞中以鐵磁原子（Fe、Co、Ni）替代中心位置的Ga原子建立了摻雜模型。

傳統(tǒng)的基態(tài)理論是通過廣義梯度近似GGA和局域密度近似LDA來描述相關(guān)原子排斥能，在描述鐵磁金屬摻雜Ⅲ-Ⅴ族化合物結(jié)合能時會產(chǎn)生較大誤差。因此，本文采用GGA+值的方法描述原子之間的排斥能，即在摻雜體系中通過排斥能參數(shù)來描述原子間的電子云強相關(guān)疊加作用。該近似法能夠比較精確地描述Ⅲ-Ⅴ族化合物的能帶結(jié)構(gòu)。摻雜體系的收斂能為2.0×10-5eV/atom，每個原子的最小受力精度為0.5 eV/nm，原子之間強相互作用應(yīng)力偏差為0.05 GPa，原子振動最大偏移幅度小于 2.0×10-4nm。摻雜體系超胞的倒格子空間網(wǎng)格密度k點選取為2×3×2，體系平面波截斷能為380 eV。本文采用電子自旋極化研究所有摻雜體系的光電磁性能。在計算過程中Ga選取的值為6.00 eV，As選取的值為7.50 eV時，相應(yīng)得到的禁帶寬度為1.420 eV，這與實驗結(jié)果相符。

圖1 鐵磁金屬摻雜GaAs模型

3 模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

首先分析摻雜體系的穩(wěn)定性，利用雜質(zhì)形成能的大小可以判定雜質(zhì)原子Fe摻入純凈GaAs體系后的穩(wěn)定情況。如果形成能為正值，說明替位摻雜后，摻雜體系的總能大于原體系能量，摻雜體系無法穩(wěn)定存在，要實現(xiàn)替位摻雜也就越困難；如果形成能為負值，說明摻雜后的體系可以穩(wěn)定存在，可以實現(xiàn)對純凈體系的替位摻雜。經(jīng)過計算，摻雜體系的形成能為﹣5.6 eV，為負值，由此可以判定摻雜體系可以穩(wěn)定存在。對摻雜體系幾何優(yōu)化的結(jié)果也表明模擬計算的晶格常數(shù)與實驗數(shù)值誤差不超過0.3%.由此可見，數(shù)值模擬計算結(jié)果合理。

3.1 能帶結(jié)構(gòu)分析

本文模擬計算所獲得的禁帶寬度與實驗結(jié)果比較接近。這是由于二者摻雜劑的含量處在同一數(shù)量級。計算得到的導(dǎo)帶底能量為1.53 eV，與純凈體系相比，導(dǎo)帶底向下移動較為明顯，并且在摻雜能級的誘導(dǎo)下，導(dǎo)帶能級發(fā)生簡并，形成了電子型簡并半導(dǎo)體。同時，由于摻雜使半導(dǎo)體產(chǎn)生了帶尾效應(yīng)，并在該效應(yīng)的作用下使得整個摻雜體系呈現(xiàn)出半金屬性。也就是說，在雜質(zhì)原子的誘導(dǎo)極化作用下，自旋向上的態(tài)密度曲線與自旋向下的態(tài)密度曲線產(chǎn)生了不對稱性。一方面，自旋向上態(tài)密度的導(dǎo)帶底與價帶頂距離縮小，導(dǎo)致自旋向上的電子比較容易地跨越上禁帶，從而使摻雜體系具有導(dǎo)體特征；另一方面，自旋向下態(tài)密度的導(dǎo)帶底與價帶頂距離增大，導(dǎo)致自旋向下的電子在跨越帶隙時，會受到比較強的晶格散射作用，從而使該摻雜體系又呈現(xiàn)出絕緣體特征。另外，本文在模擬計算摻雜體系態(tài)密度結(jié)構(gòu)過程中進行了摻雜劑替換。計算結(jié)果表明，GaAs體系中摻入鐵磁金屬元素Co之后，半導(dǎo)體金屬性增強[5]。然而，隨著Co摻雜量增加，摻雜體系的導(dǎo)帶與價帶又出現(xiàn)了排斥效應(yīng)，使導(dǎo)帶底與價帶頂?shù)木嚯x變遠，電子在跨越帶隙時散射增強，導(dǎo)致半導(dǎo)體介電性增強。另外，當把摻雜劑替換為Ni時，體系的禁帶寬度先增大后減少，這一結(jié)果具有較大的實用意義，實際應(yīng)用中可通過控制摻雜劑含量來獲得不同靈敏度的光敏材料。關(guān)于摻雜體系帶隙變化規(guī)律的形成機制需要分析摻雜原子的結(jié)合鍵理論。

3.2 結(jié)合鍵理論分析

由模擬計算可知，隨著鐵磁金屬摻雜劑含量的增加，摻雜原子與體系A(chǔ)s原子電子云重疊加強，同時，由于同種電荷排斥作用導(dǎo)致雜質(zhì)原子與Ga原子電子云交疊減小。根據(jù)結(jié)合鍵理論可知，在形成摻雜體系的過程中，同時出現(xiàn)了成鍵態(tài)與反鍵態(tài)。如果成鍵態(tài)作用強，則摻雜體系導(dǎo)帶與價帶的相互吸引占據(jù)主導(dǎo)作用；如果反鍵作用增強，則導(dǎo)帶與價帶的排斥作用占據(jù)主導(dǎo)作用。由上文討論結(jié)果可知，當使用摻雜劑Co時，反鍵態(tài)的作用強于傳統(tǒng)摻雜方式，從而導(dǎo)致?lián)诫s體系具有較高的電子散射系數(shù)。

而當使用摻雜劑Ni時，體系的成鍵作用與反鍵作用同時增強，并且二者存在臨界點，經(jīng)計算該臨界點為1.68 eV，在小于該臨界點時反鍵作用占據(jù)主導(dǎo)地位，導(dǎo)致半導(dǎo)體的禁帶寬度增大；在大于臨界點能級范圍時，成鍵作用占據(jù)主導(dǎo)地位，整個體系禁帶寬度降低。另外，根據(jù)重整化理論，摻雜劑的引入可導(dǎo)致體系導(dǎo)帶與價帶中的電子濃度發(fā)生改變。電子濃度的變化直接在宏觀上的體現(xiàn)就是半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能。因此，本文以上對于帶隙的討論為精密測量導(dǎo)帶與價帶中的電子濃度提供了一種新的參考。

3.3 磁性形成機制分析

在模擬計算中發(fā)現(xiàn)，鐵磁金屬的引入使摻雜體系態(tài)密度呈現(xiàn)出不對稱性，通過對費米能級附近態(tài)密度積分發(fā)現(xiàn)，自旋向上與自旋向下的磁矩不等，也就是說摻雜體系顯現(xiàn)出凈磁矩。這表明摻雜體系除了本身具有半導(dǎo)體特征外同時還是稀磁半導(dǎo)體。通常在自然條件下GaAs半導(dǎo)體是非磁性材料。由于鐵磁金屬原子具有較強的固有磁矩。當GaAs半導(dǎo)體摻入鐵磁金屬時會發(fā)生電子云重構(gòu)現(xiàn)象。電子云的重構(gòu)導(dǎo)致原本處于對稱狀態(tài)的電子自旋態(tài)密度產(chǎn)生偏移，從而使摻雜體系獲得凈磁矩。從該角度來看，稀磁半導(dǎo)體的產(chǎn)生是摻雜原子的誘導(dǎo)極化所導(dǎo)致的。正是由于鐵磁原子電子云的強局域性，進而導(dǎo)致?lián)诫s體系的電子云具有方向性極化。另外，鐵磁原子本身具有固有磁矩，在一定程度上也會提高該材料的磁性能指標。值得注意的是，并不是摻雜劑的含量越高體系的磁性能越強，產(chǎn)生這一現(xiàn)象主要有兩個原因：①隨著體系摻雜濃度的提高，體系的形成能越來越大，也就是說摻雜越來越困難，這一現(xiàn)象尤其是在Ni原子摻雜過程中表現(xiàn)最為明顯，這對實際的半導(dǎo)體電子注入過程來說具有很大難度。②由于被摻雜基底的GaAs的晶格結(jié)構(gòu)比較特殊，原子之間鍵角較大，因此，在引入雜質(zhì)原子過程中容易產(chǎn)生超交換相互作用，從而使得摻雜體系的磁化效率降低，使體系的磁性減弱。因此，在實際操作過程中，摻雜劑的濃度不宜過高。

4 結(jié)束語

稀磁半導(dǎo)體由于兼具電子自旋與半導(dǎo)體屬性而引起人們越來越多的關(guān)注。本文所提供的鐵磁金屬摻雜GaAs半導(dǎo)體技術(shù)為稀磁半導(dǎo)體材料制備領(lǐng)域提供了一種有效手段。通過鐵磁金屬摻雜，可有效改變GaAs半導(dǎo)體的能帶機構(gòu)、磁學(xué)性能與光譜結(jié)構(gòu)。因此，本模擬計算具有較好的理論指導(dǎo)意義及學(xué)術(shù)應(yīng)用價值。

［1］施衛(wèi)，張顯斌，賈婉麗，等.用飛秒激光觸發(fā)GaAs光電導(dǎo)體產(chǎn)生THz電磁波的研究［J］.半導(dǎo)體學(xué)報，2004，25（12）：1735-1738.

［2］石小溪，趙國忠，張存林，等.低溫生長砷化鎵光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲波的輻射特性［J］.中國激光，2008，35（03）：396-400.

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付斯年（1980—），男，黑龍江人，碩士，研究方向為凝聚態(tài)物理。

牡丹江市科學(xué)技術(shù)計劃項目（項目編號：Z2018g013）

2095－6835（2019）03－0082－02

TB393.1

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.03.082

〔編輯：張思楠〕