Mn摻雜GaAs體系的第一性原理研究

文黎巍，葉金琴

(河南工程學(xué)院 理學(xué)院，河南 鄭州451191)

稀磁半導(dǎo)體(DMS)是指利用3d族過渡金屬或者4f族稀土金屬的磁性離子取代Ⅱ-VI族、Ⅲ-Ⅴ族等半導(dǎo)體中的部分帶正電的離子而形成的新型半導(dǎo)體材料，如Zn1-xMnxSe，Sn1-xMnxTe，Zn1-xMnxO等.稀磁半導(dǎo)體因兼有半導(dǎo)體與鐵磁的共同特性使其在電子器件和磁性方面有著很廣泛的應(yīng)用［1-2］.因此，稀磁半導(dǎo)體已成為近年來研究的熱點(diǎn)［3-7］.GaAs是一種重要的半導(dǎo)體材料，禁帶寬度(能隙)1.4 eV，與太陽光譜匹配好，具有熔點(diǎn)較高(1 238℃)、耐高溫等特性，在電池、半絕緣高阻材料、集成電路襯底及探測(cè)器等方面有著廣泛應(yīng)用.Mn摻雜的(Ga，Mn)As既具有Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體GaAs的特性，又具備鐵磁化合物的特點(diǎn)并與Ⅲ-Ⅴ族異質(zhì)結(jié)器件制備技術(shù)有很好的兼容性，所以最近涌現(xiàn)了對(duì)于(Ga，Mn)As稀磁導(dǎo)體研究的熱潮［8-10］.人們對(duì)Mn摻雜GaAs稀磁半導(dǎo)體材料的制備、結(jié)構(gòu)和磁性做了大量實(shí)驗(yàn)研究［11-19］，然而有關(guān)Ga1-xMnxAs的理論研究相對(duì)較少.本課題采用基于密度泛函理論(DFT)的第一性原理方法研究了Mn摻雜GaAs稀磁半導(dǎo)體的穩(wěn)定磁結(jié)構(gòu)及電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)Mn摻雜GaAs體系的確具有磁性，解釋了導(dǎo)致其具有稀磁半導(dǎo)體特性的原因.

1 結(jié)構(gòu)模型和計(jì)算方法

1.1 結(jié)構(gòu)模型

GaAs的晶體結(jié)構(gòu)見圖1，這個(gè)化合物的空間群是F-43M(No.216).實(shí)驗(yàn)上的晶格常數(shù)是a=b=c=5.653 3A。，每個(gè)晶胞模型中含有4個(gè)Ga原子和4個(gè)As原子.為了構(gòu)造在實(shí)驗(yàn)上已觀察到的Mn摻雜濃度為0.005～0.08的摻雜體系Ga1-xMnxAs，基于GaAs構(gòu)造了2×2×2的超晶胞，見圖2.

圖1 GaAs的晶體結(jié)構(gòu)Fig.1 Crystal structure of GaAs

圖2 Ga1-x M n x As的晶體結(jié)構(gòu)(x=0.625)Fig.2 Crystal structure of Ga1-x M n x As(x=0.625)

其中，兩個(gè)Ga原子被Mn原子取代，得到摻雜濃度為2/32，相當(dāng)于實(shí)際取的Mn摻雜濃度為6.25%.將圖2中的上下面和左右面的Mn原子分別取相同的磁序取向與相反的磁序取向，在不考慮其磁性的情況下得到了Ga1-xMnxAs(x=0.625)的鐵磁(FM)、反鐵磁(AFM)與順磁(NM)3種不同的磁構(gòu)型.

1.2 計(jì)算方法

關(guān)于Ga1-xMnxAs(x=0，0.625)體系的電子結(jié)構(gòu)域磁性特征的計(jì)算采用的是VASP計(jì)算模擬程序包［20］，電子間的交換關(guān)聯(lián)勢(shì)選用的是基于投影綴加平面波的Perdew-Burke-Ernzerhof(PBE)勢(shì).Ga1-xMnxAs體系中Ga，Mn，As的價(jià)電子分別取4s24p1，3d64s1和4s24p3.整個(gè)計(jì)算中，平面波截?cái)嗄苋?50 eV.K點(diǎn)采用Monkhorst方法自動(dòng)取得，計(jì)算中的K點(diǎn)分別取11×11×11，5×5×5的Monkhorst-Pack網(wǎng)格來優(yōu)化圖1和圖2中的晶胞和超晶胞模型，當(dāng)總能量差小于10-5eV時(shí)自洽循環(huán)計(jì)算停止，而對(duì)于電子結(jié)構(gòu)特性相應(yīng)的計(jì)算Monkhorst-Pack網(wǎng)格取優(yōu)化時(shí)的兩倍.

2 結(jié)果與討論

2.1 GaAs的電子結(jié)構(gòu)

計(jì)算研究了無摻雜的GaAs晶體的電子結(jié)構(gòu)，包括總體的態(tài)密度和各元素的分態(tài)密度，見圖3.從圖3可以看出，純凈的GaAs晶體總的態(tài)密度圖特點(diǎn).計(jì)算結(jié)果表明，由于純凈的GaAs是無磁性的，其電子結(jié)構(gòu)中自旋向上和自旋向下是對(duì)稱的，故可以不研究磁性，只畫出其自旋向上的態(tài)密度.GaAs總的態(tài)密度顯示出半導(dǎo)體特性，帶隙約為1.0 eV，分波態(tài)密度可以顯示Ga與As的態(tài)密度峰值幾乎完全對(duì)應(yīng)，表明Ga和As之間的軌道雜化明顯，主要體現(xiàn)共價(jià)鍵特征.在-5～-2.5 eV，As的態(tài)密度與Ga的態(tài)密度基本相同;在-2.5～0 eV，As的態(tài)密度大于Ga的態(tài)密度，表明As的電子數(shù)目要比Ga多;在0～5 eV，Ga的態(tài)密度大于As的態(tài)密度，說明Ga的未占據(jù)態(tài)較多.

圖3 GaAs的電子結(jié)構(gòu)Fig.3 Electronic structure of GaAs

2.2 M n摻雜GaAs的結(jié)構(gòu)

針對(duì)圖2中摻雜的Mn原子分別取相同磁序取向、相反磁序取向及不考慮其磁性情況，得到Ga1-xMnxAs(x=0.625)的鐵磁(FM)、反鐵磁(AFM)和順磁(NM)3種不同的構(gòu)型并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化.基于優(yōu)化后的結(jié)果計(jì)算了3種構(gòu)型下的能量，表1給出了Ga1-xMnxAs(x=0.625)體系在不同磁構(gòu)型下的能量.

由于物質(zhì)本身能量越低、鍵能越大，破壞這種物質(zhì)所需要的能量就越多，也就是物質(zhì)穩(wěn)定.由表1中數(shù)據(jù)可知，F(xiàn)M構(gòu)型(摻雜的Mn原子磁序一致)的能量是最低的，所以FM構(gòu)型是最穩(wěn)定的磁構(gòu)型，即摻Mn為6.25%的GaAs具有磁性.

表1 Ga1-x M n x As(x=0.625)在不同磁構(gòu)型下的能量Tab.1 Energy of differentmagnetic configuration of Ga1-x M n x As(x=0.625)

圖4 Ga1-x M n x As(x=0.625)的態(tài)密度Fig.4 Density of states of Ga1-x M n x As(x=0.625)

為了研究Mn摻雜GaAs體系對(duì)其半導(dǎo)體特性的影響，在Ga1-xMnxAs(x=0.625)體系的穩(wěn)定構(gòu)型基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究了其電子結(jié)構(gòu).為了和GaAs對(duì)比，圖4同樣給出了其總的態(tài)密度和各元素的分態(tài)密度，圖中上下兩部分分別對(duì)應(yīng)自旋向上和自旋向下的態(tài)密度.從圖4可以看出，Mn摻雜的GaAs晶體態(tài)密度在-5～5 eV，總態(tài)密度和原子分態(tài)密度已不具有對(duì)稱性，自旋向上的態(tài)密度在費(fèi)米面(EF)上不為0，自旋向下的態(tài)密度在費(fèi)米面仍然為0，系統(tǒng)能隙只有0.1 eV左右，所以Ga1-xMnxAs(x=0.625)具有稀磁半導(dǎo)體特性.進(jìn)一步分析圖4可以看出，Mn原子態(tài)密度自旋向上部分在-3 eV左右具有峰值，而自旋向下部分幾乎為0，表現(xiàn)出較強(qiáng)磁性.從Ga1-xMnxAs(x=0.625)的原子分態(tài)密度可以得出Ga1-xMnxAs(x=0.625)體系的磁性主要來源于Mn原子.As原子的態(tài)密度在-0.1～0.5 eV能量區(qū)間內(nèi)也不對(duì)稱，只有自旋向上部分而沒有自旋向下部分，表明As與Mn有較強(qiáng)的雜化作用，也被部分磁化.

3 結(jié)語

用基于密度泛函理論框架下的第一性原理方法研究了Mn摻雜GaAs體系.首先，構(gòu)造了Mn摻雜GaAs體系的不同磁結(jié)構(gòu)，通過比較不同磁構(gòu)型下體系的能量得到系統(tǒng)具有鐵磁性質(zhì);然后，研究了鐵磁構(gòu)型下Mn摻雜GaAs體系的態(tài)密度仍具有較小能隙，發(fā)現(xiàn)其稀磁半導(dǎo)體特性，并分析其磁性主要來自Mn原子，研究結(jié)果可為稀磁半導(dǎo)體材料的研究提供一定參考.

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