1 引言

　　氮化鎵(GaN)是一種重要的半導(dǎo)體材料，具有較寬的直接帶隙、較高的擊穿電壓、較小的介電常數(shù)、較高的發(fā)光效率和耐高溫等優(yōu)異的化學(xué)和物理穩(wěn)定特性，是半導(dǎo)體材料和光電器件的研究熱點(diǎn)。在紫外半導(dǎo)體探測(cè)器、藍(lán)光發(fā)光二極管和藍(lán)光激光器等方面具有潛在的應(yīng)用前景。

　　通過摻雜或者引入應(yīng)力等方式均能夠改變晶格常數(shù)，進(jìn)而改變材料的能帶結(jié)構(gòu)及其光學(xué)特性。目前，對(duì)于GaN半導(dǎo)體材料的研究主要集中在關(guān)于GaN薄膜的表面吸附及摻雜問題上。杜玉杰等[7]通過對(duì)GaN(0001)表面的光學(xué)特性和體相GaN的光學(xué)特性進(jìn)行比照，發(fā)現(xiàn)兩者有著很大的差別。董位等使用AN ?SYS 軟件，計(jì)算了以藍(lán)寶石作為襯底的GaN 薄膜的熱應(yīng)力，并且比較了不同的溫度對(duì)應(yīng)力的作用。張淏酥等利用氮化鎵LED外延片作為研究對(duì)象，為提高發(fā)光效率提出了一種增強(qiáng)型LED的方案。張韻等用寶石作為襯底，使用金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積的方法生長(zhǎng)出不同厚度的c面GaN薄膜，發(fā)現(xiàn)在3.38 eV處附近，不同厚度的GaN薄膜均出現(xiàn)了吸收截止邊。杜曉晴等采用超高真空激活工藝，對(duì)變摻雜GaN光電陰極的光譜響應(yīng)特性進(jìn)行測(cè)試并得出了在反射工作的模式下變摻雜結(jié)構(gòu)的陰極具有更好的長(zhǎng)波長(zhǎng)紫外響應(yīng)特性的結(jié)論。Masaki Ueno 等采用X 射線衍射對(duì)纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN在0～60GPa的壓力下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究，指出了在52.2GPa下GaN從纖鋅礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變成巖鹽礦結(jié)構(gòu)，并且軸比(c/a)的變化并不與其保持一致。

　　目前關(guān)于應(yīng)力條件下GaN的性質(zhì)研究的相關(guān)報(bào)道比較少。在本文中GaN晶格的形變是使用外加應(yīng)力的方式來設(shè)置的，計(jì)算方法采用了密度泛函理論框架下的廣義梯度近似(GGA)的平面波超軟贗勢(shì)方法，計(jì)算分析了外壓調(diào)制下GaN材料的電子結(jié)構(gòu)與光學(xué)屬性，并對(duì)不同應(yīng)力下GaN材料的晶格形變的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比研究，為GaN光電子材料的實(shí)驗(yàn)研究和開發(fā)新的基于GaN的光電子器件提供了理論依據(jù)。

　　2 理論模型和計(jì)算方法

　　2.1 理論模型

　　理想GaN 晶體是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)，屬于P63mc 空間群，對(duì)稱性為C6v- 4，晶格常數(shù)a=b=0.3189 nm, c=0.5185 nm，a=b=90° ，g=120° ，其中c/a 為1.626，比理想的六角密堆積結(jié)構(gòu)的1.633 稍小。c 軸方向的Ga—N 鍵長(zhǎng)為0.1937 nm，其他方向的Ga—N 鍵長(zhǎng)為0.1946 nm，其晶胞由Ga 的六角密堆積和N的六角密堆積反向套構(gòu)而成。GaN原胞包括2個(gè)Ga原子和2個(gè)N原子，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2.2 計(jì)算方法

　　理論計(jì)算采用基于密度泛函理論框架下的第一性原理計(jì)算方法：利用總能量平面波贗勢(shì)方法，將離子勢(shì)用贗勢(shì)來替換，利用平面波基組的方式來展開電子波函數(shù)，使用廣義梯度近似(GGA)或局域密度近似(LDA)的方法來校正電子與電子相互作用的交換和相關(guān)勢(shì)函數(shù)，這是截止到目前為止比較準(zhǔn)確的用來計(jì)算電子結(jié)構(gòu)的理論方法。