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宽禁带半导体GaN基电子器件在微波大功率方面具有极其优异的性能,近年来成为国内外的研究热点。虽然近年来GaN基电子器件的研究取得了快速发展,但在该研究领域依然存在诸多基础科学问题有待解决。在本文中使用前沿的微观理论计算了应变下的GaN基材料的电子能带结构和沟道内的电子输运情况。论文具有较好的学术意义和重要的实用价值。
我们的工作内容由以下三部分组成:
第一部分为AlN和GaN电子结构的密度泛函理论计算。我们将宏观的材料应变对应到微观的晶轴变化,通过不同长度下的变化导致的能带改变来分析GaN基材料的特点。该算法的计算结果可直接与XRD实验结果进行比较。我们解决了应力作用下XRD等实验方法无法测量GaN基材料基本物理属性的问题。
第二部分为稳定能带结构理想AlGaN/GaN表面电子波函数分布的计算模拟。我们求解出沿不同方向传播的电子在沟道内的分布,解决了沟道内各个方向电子分布的问题。我们的工作可以用来替代泊松方程求解强关联体系的电荷分布。我们给出了2DEG内各个电子之间耦合程度的度量方法,求解了2DEG在GaN界面处理想情况下的形态。
第三部分为自由电子在2DEG内的输运。我们解决了如何将光谱测得的电子的动量与电学测量的电子的功率进行对比,将电学的实验结果和光学的实验结果联系在一起。我们阐述了如何使用单体方程尽可能准确的描述电子在2DEG内的传输。
我们从计算结果阐述含有Al的GaN基材料的能带在导带以上依然存在着一条高密度能带,从而为电子提供额外的输运通道。此外,应变下的计算结果也表明了GaN基材料拥有十分稳定的能带结构。在稳定的能带结构下,2DEG可以被理想化为电流体。我们设计并计算该多体方程,计算结果表明2DEG的存在使得在2DEG中输运的电子感应到了一个背景电场,该背景电场可以被单体近似中的零场自旋能近似替代。利用该近似,最终我们可以获得一个电测与光测相互联系的方程,该方程可以直接应用在光谱与电学联用的实验中。