极化效应在半导体表格从头理论器件应用

As  a  rule,  investigations  of  physical  effects  in  solids  are  motivated  by  the  need  of  understanding  at  a  fundamental  level,  which  facilitates  their  effective  application  in  the  fabrication  of  devices.  The  problem  of  electrical  polarization  of  piezoelectric,ferroelectric,  and  pyroelectric  solids  is  no  exception.  In  the  last  15  years  we  have  witnessed  very  intensive  investigations  of  the  theory  of  spontaneous  polarization,  as  well  as  of  the  dielectric  response  of  crystals  to  external  perturbations.  Our  current  understanding  stems  from  the  development  of  electronic  structure  calculations  based  on  first  principles,  and  subsequently  from  evolution  of  appropriate  theoretical  approaches  allowing  for  both  a  proper  definition  of  polarization  and  accurate  calculations.From  the  experimental  side,  much  of  the  impetus  came  from  experimentalwork  devoted  to,  e.g.,  GaN-like  group-III  nitrides,  in  which  internal  electric  fields  of  both  pyro-  and  piezoelectric  origin  are  large,  determining  the  properties  of  quantum  structures  and  devices  [1].  Spectacular  progress  in  this  area  has  led  to  innovative  devices  described  in  several  chapters  of  this  book.There  are  two  important  issues  clarified  by  first  principles  calculations  in  the  last  two  decades.  The  first  achievement  was  to  provide  a  link  between  microscopic  distribution  of  electrons  determined  by  first-principles  calculations  and  the  des  cription  based  on  classical  macroscopic  electrostatics.  In  particular,  calculations  have  shown  how  actual  charge  densities  and  dipole  layers  at  surfaces  and/or  interfaces  in  semiconductor  heterostructures  look  like  at  the  atomic  scale,  what  are  their  localization  and  origin,  etc.  These  basic  concepts  and  ingredients  of  classical  electrodynamics  developed  during  the  last  two  centuries  are  now  visualized  by  first  principles  theory.Typical  results  are  described  in  Sections  6  and  7.The  second  success  is  a  demonstration  of  the  fact  that  spontaneous  polarizationand  piezoelectric  effects  are  bulk  properties  of  solids,  and  thus  may  be  studiedby  calculations  performed  for  infinite  crystals  [2,  3].  This  subject  was  first  treated  in  the  paper  by  Martin  [4],  who  showed  that  the  piezoelectric  tensor  of  an  insulator  is  a  bulk  quantity.  In  fact,  the  development  of  elegant  theoretical  approaches  [2,  3]  has  enabled  efficient  calculations,  and  the  results  are  in  good  agreement  with  experiment.  Furthermore,  a  wealth  of  new  information  has  been  obtained.  In  this  chapter,  we  briefly  summarize  the  theoretical  approaches  and  illustrate  them  with  appropriate  examples.As  an  example  of  the  role  played  by  the  electric  field,  we  discuss  field-inducedelectromigration  of  hydrogen  in  GaN/AlN  heterojunctions  rather  than  the  impactof  electric  field  on  the  electronic  structure,  which  was  discussed  at  length  in  many  papers  [1]  and  other  chapters  of  this  book.