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SrTiO_3-GaAs(GaP)异质结的结构和电子特性研究

杨果来  
【摘要】: 本文采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法,研究了铁电晶体SrTiO_3分别与化合物半导体GaAs和GaP构成的异质结构的电子特性。 首先,分析了钛酸锶、砷化镓和磷化镓三种材料的结构和电子特性。解释了SrTiO_3晶体的Ti-O键和Sr-O键的价键性质;对于GaAs和GaP的闪锌矿结构,讨论了价带顶和导带底能带位置,以及Ga-As键和Ga-P键的价键性质。在表面讨论中,研究分析表明:SrTiO_3(001)表面是弱极性的,SrO端面比TiO_2端面更加稳定。GaAs和GaP(001)表面是极性表面;通过比较在有无氢键饱和条件下的表面特性,显示出氢键饱和对于屏蔽另一个非研究面对表面的影响有重要作用。 因此,对GaAs和GaP(001)极性表面使用氢键饱和,来消除非饱和键对界面的影响。在对表面结构充分研究的基础上,通过对SrTiO_3-GaAs异质结构实验报道的分析,开展了理论模型的探讨。研究表明:SrTiO_3与GaAs结合成异质结时,在SrTiO_3的(001)表面和GaAs的(001)表面上,SrTiO_3与GaAs是可匹配的,且砷化镓将旋转45°角方向至[110]晶向或者钛酸锶表面旋转45°角方向至[110]晶向。由于表面计算显示SrO端面比TiO_2端面更加稳定,故选择SrO端面作为界面。结构的总能量和界面间的相互作用的研究,表明SrO-As界面更稳定。 基于SrTiO_3-GaAs异质结构的分析,开展了对SrTiO_3-GaP异质结理论模型的探讨。在SrTiO_3的(001)表面和GaP的(001)表面上,SrTiO_3与GaP是可匹配的,且磷化镓相应旋转45°角方向至[110]晶向或者钛酸锶表面旋转45°角方向至[110]晶向。经过界面特性的计算分析,从结构的总能量和界面间的相互作用来看,SrO-P界面是更稳定的。 本文深入分析了异质结的结构特性和电子特性,得到了稳定的界面。分别为晶面SrTiO_3(001)||GaAs(001)和晶向SrTiO_3[110]||GaAs[100]的SrO-As界面;晶面SrTiO_3(001)||GaP(001)和晶向SrTiO_3[110]||GaP[100]的SrO-P界面。


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