第三代宽禁带半导体的兴起推动了半导体技术的巨大进步,促进了半导体光电器件行业的繁荣发展。相比前两代半导体,第三代半导体的禁带宽度横跨0.7eV-6.2eV,覆盖了整个可见光波段,因而被广泛应用在固态照明领域。近些年来,半导体光电器件常常工作在比较大的温度范围,这就要求我们必须了解半导体材料能带结构随温度变化的物理机制。此外,不同类型的掺杂是改善半导体光电性质,增强光电器件性能表现的有效手段。我们有必要了解不同元素不同浓度掺杂对半导体的性质影响。以GaN为例,本文将利用第一性原理通过计算来探究对比本征和不同浓度的n型掺杂(Si掺)、p型掺杂(Mg掺)在能带结构、态密度、光学性质的变化,为之后的本征、p型掺杂和n型掺杂GaN样品的光谱研究做好理论支撑。本文对制备的两个纤锌矿GaN(u型和n型)样品做变温PL研究,着重探究了高质量非掺GaN样品的禁带宽度与温度的变化关系。得到以下结论:1.局域密度近似(Local Density Approximation,LDA)交换关联函数和模守恒赝势在对本征GaN的第一型原理计算研究中展现出最好的几何优化效果。Ga元素的3d、4s、4p轨道,N元素的2s、2p轨道对纤锌矿GaN的态密度都具有贡献。其中,价带顶的态密度主要有N元素2p轨道和少许Ga元素4p轨道的贡献。GaN的折射率在光子能量5.07eV和16.35eV分别达到最大和最小值,消光系数在11.75eV达到最大值;其反射系数和吸收系数分别在13.65eV和13.15eV达到最大值。2.1)Si掺杂的GaN晶格常数a和c随着掺杂浓度的提高减小。掺杂的Si元素的3s、3p轨道将对GaN态密度做出贡献。随着浓度提高,3s、3p轨道向导带顶的更高能量贡献态密度拓宽了导带,同时3p轨道在导带底下方贡献的态密度将引入施主能级。2)Mg掺杂的GaN晶格常数a和c随着掺杂浓度的提高增大。掺杂的Mg元素的3s、2p轨道将对GaN态密度做出贡献。随着浓度提高,Mg元素的2p轨道将逐渐对受主能级的引入做出更多的贡献。3.1)Varshni模型忽视声子机制,与真实物理不符。该模型在低温区低估了GaN带隙对温度的依赖,表现出拟合偏大的系统偏差。随温度的提高,模型对GaN带隙温度依赖性的过高判断会越来越偏离实际,呈现出越来越大的误差。2)Bose-Einstein模型的理论出发点具有一定的物理依据,但模型的简单数学形式在低温区对GaN带隙温度依赖性的判断偏强,拟合表现出系统偏小的趋势。在研究的温度范围内,该模型对GaN带隙温度依赖性判断不稳定,表现出反复变化的系统偏差。4.基于能带收缩物理机制的模型可以灵活地利用电子声子谱函数f(∈)对GaN体系的电子和声子关系进行描述。线性函数形式电子声子谱函数和幂次函数形式电子声子谱函数对GaN态密度的假设都不符实际,所以线性模型和幂次模型推断的影响GaN带隙温度依赖的主要声子的能量超出GaN的声子谱能量范围。δ模型对GaN带隙的温度依赖数学近似很好,但是因为它对GaN态密度的数学近似过于简单,我们认为它做出的GaN中声学声子主要影响带隙温度依赖的结论不可信。5.组合模型与二声子模型(多声子模型)考虑GaN声子谱分布特点,对GaN态密度做出了复合实际的详细数学近似。他们对GaN带隙随温度变化的数学估计以及哪种声子主要影响带隙温度依赖的判断最为准确。我们可以看到本征GaN中光学声子对带隙随温度变化做出了主要的贡献。