Be,Mg摻雜ZnO基半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)及電學(xué)性質(zhì)的理論研究.pdf

1、ZnO是一種寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，其室溫下帶隙寬度為3.37eV，并且激子束縛能高達(dá)60meV。這些優(yōu)異的光學(xué)性能使ZnO在紫外(UV)光電器件領(lǐng)域具有非常巨大的應(yīng)用前景，例如可以用來(lái)制備LED和紫外探測(cè)器。近年來(lái)，在這些潛在應(yīng)用中，ZnO作為潛在的日盲探測(cè)器材料日益受到研究者們的關(guān)注。日盲探測(cè)器是指可以工作在日盲波段的光探測(cè)器，該波段的光子的能量范圍為4.4～5.6eV(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)280～220nm)。很明顯，ZnO晶體的帶隙仍然偏

2、低，并不能滿足這一要求，必須對(duì)ZnO的帶隙進(jìn)行調(diào)節(jié)。為此，研究者們就提出可以將ZnO與同為Ⅱ-Ⅵ族氧化物半導(dǎo)體的MgO和BeO進(jìn)行合金化。不過(guò)，獲取高質(zhì)量且?guī)段挥谌彰^(qū)間的ZnO基材料仍然是十分困難的事。此外，ZnO的p-type摻雜一直嚴(yán)重地制約了其在光電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用。本論文就Be、Mg摻雜的ZnO基材料的物理性質(zhì)以及ZnO中p-type導(dǎo)電性進(jìn)行了系統(tǒng)而深入的研究。本論文共分為六個(gè)章節(jié)。
　　在第一章中，我們總結(jié)了近年來(lái)

3、關(guān)于ZnO基日盲探測(cè)器材料和ZnO中p-type摻雜的研究進(jìn)展。
　　在第二章中，我們簡(jiǎn)單介紹了本論文計(jì)算中所使用到的集團(tuán)展開(kāi)方法和SQSs方法。
　　在第三章中，通過(guò)理論計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)方法，我們研究了BexMgyZn1-x-yO合金的相變問(wèn)題。我們發(fā)現(xiàn)隨著B(niǎo)e組分的增加，纖鋅礦BexMgyZn1-x-yO合金中可摻雜Mg組分的極限值也在不斷增加。通過(guò)計(jì)算，我們獲得了相變點(diǎn)處合金的帶隙隨著B(niǎo)e、Mg濃度變化的基本趨勢(shì)。同時(shí)，在

4、理論的指導(dǎo)下，成功地制備出了帶隙值位于日盲區(qū)間的BexMgyZn1-x-yO合金材料。另外，通過(guò)將第一性原理計(jì)算和集團(tuán)展開(kāi)方法相結(jié)合，我們深入地研究了有限溫度下BexMgyZn1-x-yO合金中的相分離問(wèn)題。我們發(fā)現(xiàn)BexMgyZn1-x-yO合金的相分離行為由Be組分主導(dǎo)。在合金的分離相中，Be1/3Zn2/3O依舊是一種寬禁帶直接帶隙半導(dǎo)體材料，其帶隙值為4.88eV，是一種很有前景的日盲探測(cè)器材料。
　　在第四章中，我們研究

5、了Be，Mg摻雜ZnO中雜質(zhì)的物理性質(zhì)。通過(guò)第一性原理計(jì)算我們發(fā)現(xiàn)間隙Be原子(Bei)更傾向在ZnO中的原子基面內(nèi)遷移。在遷移過(guò)程中，Bei可以和替位Be原子(BeZn)相結(jié)合形成缺陷復(fù)合體(2Be)Zn，由此導(dǎo)致ZnO基質(zhì)中的Be原子聚集。然而，替位Mg原子（MgZn）可以破壞缺陷復(fù)合體(2Be)Zn的穩(wěn)定性。因此，在Be摻雜的ZnO中加入Mg雜質(zhì)可以有效的抑制Be組分的聚集，這極大地改善了Be在調(diào)節(jié)ZnO帶隙過(guò)程中所能起到的作用。

6、此外，借助于第一性原理方法，我們還系統(tǒng)地研究了Be摻雜ZnO中激子束縛能增大的問(wèn)題。基于對(duì)系統(tǒng)電子結(jié)構(gòu)的分析，我們發(fā)現(xiàn)，Be摻雜ZnO中激子束縛能的增大主要是由Be雜質(zhì)對(duì)系統(tǒng)電子態(tài)分布所產(chǎn)生的長(zhǎng)距離擾動(dòng)所引起的。
　　在第五章中，我們研究了淺受主缺陷復(fù)合體在N摻雜ZnO體內(nèi)和表面生長(zhǎng)過(guò)程中的形成機(jī)理?；诘谝恍栽碛?jì)算，我們發(fā)現(xiàn)通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移以及受主能級(jí)與受主能級(jí)之間的排斥作用，淺受主缺陷復(fù)合體NO-VZn可以很容易地在N摻雜ZnO

7、中形成。更重要的是，NO-VZn經(jīng)過(guò)氫化之后可以變得更加穩(wěn)定。而氫化后形成的(NO-nH)-VZn(n=1-2)都是淺受主缺陷，離化能都不超過(guò)162meV，與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值符合地非常好。此外，我們還發(fā)現(xiàn)，即使NO-VZn可以在ZnO的表面形成，但隨其沉積到表層原子的下方，NO-VZn就無(wú)法穩(wěn)定存在。然而，氫化的NO-H-VZn，不僅可以在ZnO的表面很輕易形成，而且還可以隨著表面生長(zhǎng)而順利地沉積到ZnO的內(nèi)部穩(wěn)定存在。我們的研究結(jié)果表明，引