بررسي قطبش ماكروسكوپيك در نيمه‌هادي‌هاي آلومينيم نيتريد،گاليم نيتريد و آلومينيم گاليم نيتريد و تأثير ميزان غلظت آلومينيم بر گاف نواري و قطبش ماكروسكوپيك در نيمه‌هادي آلومينيم گاليم نيتريد

The Investigation of Macroscopic Polarization in AlN, GaN and AlGaN Semiconductors and Aluminum Concentration Effect on Band Gap and Macroscopic Polarization in the AlxGa1-xN

در اين مقاله ساختار الكتروني -كريستالي تركيب‌هاي نيمه‌هادي گاليم نيتريد، آلومينيوم نيتريد و آلومينيوم گاليم نيتريد كه قطبش‌پذيري خودبه‌خودي در راستاي محور 0001 دارند و از خصلت پيزوالكتريكي خوبي برخوردار هستند، مورد مطالعه قرار گرفتند. بررسي پارامترهاي ساختاري، گاف نواري، عامل قطبش‌پذيري و شدت آن براي نيمه‌هادي‌هاي دوگانه آلومينيوم نيتريد، گاليم نيتريد و تأثير متقابل آنها در جايگزيني گاليم با آلومينيوم در نيمه‌هادي سه‌گانه آلومينيوم گاليم نيتريد از طريق نظرية تابعي چگالي در به‌كارگيري نرم‌افزار Win2k و با رويكرد فاز بري انجام پذيرفت. نتايج حاصل از محاسبات نشان‌دهندة ميزان بالاي قطبش‌پذيري خودبه‌خودي و پيزوالكتريكي و در مجموع قطبش ماكروسكوپيك در اين نيمه‌هادي‌هاي نيتريدي بود. محاسبة قطبش براي تركيب سه‌تايي آلومينيوم گاليم نيتريد با غلظت آلومينيوم در تركيب به اندازة ۳۷/۵ و ۱۲/۵ درصد به منظور بررسي اثر غلظت آلومينيوم بر پارامترهاي ذكر شده انجام گرفت. نتيجة اين محاسبات نيز نشان داد كه ميزان قطبش در اين آلياژ سه‌تايي نيتريدي (AlxGa1-xN) با افزايش ميزان آلومينيوم در تركيب افزايش مي‌يابد. سهم زيادي از قطبش ماكروسكوپيك مربوط به قطبش خودبه‌خودي است، ضمن اينكه مقدار قطبش خودبه‌خودي با ميزان غلظت كاتيون آلومينيوم در تركيب، يك وابستگي غيرخطي دارد. همچنين محاسبات ساختار نواري تركيبات نشان داد كه در همگي آنها گاف نواري در راستاي Γ و مستقيم است و با كاهش ميزان غلظت آلومينيوم در تركيب نيم‌رساناي AlxGa1-xN، ميزان آن كاهش مي‌يابد.

Abstract In this research we studied the electronic – crystalline structure in the semiconductor compounds of gallium nitride, aluminum nitride and aluminum gallium nitride, those have spontaneous polarization in 0001 axis and good piezoelectric properties. We used the Wien2k package, which works based on the density functional theory and the Berry’s phase approach to investigate Structural parameters, band gap, Operating and intensity of polarization for aluminum nitride, gallium nitride and aluminum gallium nitride semiconductors. Also, we studied their interaction in replacement of aluminum cation in triple semiconductor of aluminum gallium nitride. The results of the calculations showed that the rate of spontaneous and piezoelectric polarization and total macroscopic polarization in nitride semiconductors is high. We used two concentrations of aluminum as 12.5 and 37.5 percent in the ternary compound of AlxGa1-xN to calculate the polarization. Moreover, our calculations showed, that when the amount of aluminum cations increases, the polarization increases too. We also found that a higher share of the macroscopic polarization is attributed to the spontaneous polarization. In addition to, the spontaneous polarization in this case has a nonlinear and quadratic relationship with concentration. Moreover, our calculations for band gap of compounds showed that in all of them the band gap is on Γ axis and straight, when the amount of aluminum cations decreases in AlxGa1-xN, the band gap energy decreases too.