N摻SnO2基半導(dǎo)體材料的光電性能.pdf

1、透明導(dǎo)電氧化物薄膜以其優(yōu)異的光電性能引人矚目，SnO2材料因帶隙寬、激子束縛能高等特性而具有優(yōu)越的光電性能，被公認(rèn)為下一代半導(dǎo)體材料中理想的候選光電透明導(dǎo)電氧化物薄膜(TCO)材料。其摻雜形成的氧化物半導(dǎo)體光、磁、電學(xué)性質(zhì)得到了較大的改善，但目前由于對(duì)p型SnO2摻雜的作用機(jī)理及導(dǎo)電特性認(rèn)識(shí)不清，其實(shí)用型的SnO2基摻雜氧化物半導(dǎo)體并未得到工業(yè)化應(yīng)用，主要局限于透明電極、紅外反射涂層膜等方面，制備真正意義上的“透明導(dǎo)電器件”有待進(jìn)一步的

2、研究和發(fā)展。自然界中大多透明氧化物都是n型半導(dǎo)體材料，而良好性能的p型氧化物薄膜材料少之又少。目前的p型氧化物薄膜材料一般比n型材料電導(dǎo)率低3-4個(gè)數(shù)量級(jí)，因此很難實(shí)現(xiàn)全透明器件的p-n結(jié)，具有優(yōu)良光電性能的p型氧化物材料是亟待解決的問(wèn)題。由于氮與氧的離子半徑(N3+:1.71;O2-:1.32)和電負(fù)性(N:3;O3.5)非常接近，非常適合作為p型摻雜劑，本文是以密度泛函理論的第一性原理為基礎(chǔ)，采用全勢(shì)線性綴加平面波方法(FPLAPW

3、)和廣義梯度近似(GGA)分析了N摻雜不同結(jié)構(gòu)體系SnO2的電子結(jié)構(gòu)，本文中的所有分析均采用WIEN2K工具輔助完成的。
　　 首先，分析了N:SnO2材料的電子結(jié)構(gòu)，其中N替代體心位置的Sn原子。結(jié)果顯示，體系禁帶寬度變窄，這是由于N雜質(zhì)中2p態(tài)電子進(jìn)入O、Sn的外層軌道發(fā)生雜化作用，并且在能量為1.63～2.38eV范圍內(nèi)形成一條窄的深受主能級(jí)，即雜質(zhì)能級(jí)，分析可知N元素是比較理想的p型摻雜劑。摻雜后的材料呈現(xiàn)出了半金屬特性

4、，增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電性能。其介電函數(shù)和光學(xué)吸收譜均產(chǎn)生了3個(gè)主躍遷峰，并且發(fā)生了紅移，且光學(xué)吸收邊變寬，增大了材料的光學(xué)響應(yīng)，這主要是各躍遷峰與電子從價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷吸收相關(guān)。
　　 為了深入了解N摻雜對(duì)SnO2性能的影響，對(duì)比分析了N替代不同Sn原子位的電子結(jié)構(gòu)，分析了Sn1-xNxO2體系的態(tài)密度，能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)介電函數(shù)。結(jié)果表明:摻雜后體系的帶隙先減小后增大，在12.5％時(shí)帶隙最窄，亦導(dǎo)電性能最強(qiáng)。費(fèi)米能級(jí)向低能方向移動(dòng)進(jìn)入

5、了價(jià)帶，在0.55～1.05eV范圍形成了一條窄的淺受主能級(jí)，并且價(jià)帶頂附近產(chǎn)生了多余的載流子.空穴。摻雜后價(jià)帶和導(dǎo)帶處的能級(jí)均出現(xiàn)了劈裂及軌道的重疊現(xiàn)象。晶胞的電子布局?jǐn)?shù)、磁矩及總能量隨著摻雜濃度變大，其中N原子決定了磁矩的大小。摻雜后電虛部函數(shù)ε2(ω)譜中出現(xiàn)了三個(gè)主躍遷峰，各躍遷峰是由能級(jí)間的電子躍遷產(chǎn)生的，且體系的光學(xué)吸收邊增寬，主躍遷峰位發(fā)生了紅移，反射率與介電譜相對(duì)應(yīng)，各躍遷峰值都與電子的躍遷吸收有關(guān)。
　　 再次

6、，分析了在O原子位上摻雜不同濃度N的SnO2超晶胞結(jié)構(gòu)的電子結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明，費(fèi)米能級(jí)向低能方向移動(dòng)，隨著摻雜量的增加體系的禁帶寬度逐漸減小，與本征態(tài)電子結(jié)構(gòu)對(duì)比，在能量為1.35～2.50eV的范圍內(nèi)形成了雜質(zhì)帶。體系的介電虛部函數(shù)譜總體上無(wú)較大差異，在2.5eV、6.750eV、8.75eV和10.0eV的能量處出現(xiàn)了四個(gè)躍遷峰，三個(gè)主躍遷峰譜線向低能方向移動(dòng)發(fā)生了紅移，各躍遷峰與電子自價(jià)帶到導(dǎo)帶的躍遷吸收有關(guān)，對(duì)應(yīng)于折射率圖，并且隨

7、著摻雜量的增加折射率逐漸減小。
　　 然后，分析了本征和N:SnO2體系反位替代后的電子態(tài)密度和光學(xué)性質(zhì)(介電函數(shù)、反射率、折射率、吸收系數(shù))。分析可知，相對(duì)純SnO2材料，反位替代后體系體現(xiàn)出金屬特性，N摻雜后體系的自旋極化率接近100％，使材料表現(xiàn)出了半金屬性，并且摻雜后體系的帶隙相對(duì)變寬，反位替代增強(qiáng)了材料的導(dǎo)電性能。摻雜后材料的光學(xué)性能也發(fā)生了較大的變化，體系產(chǎn)生一個(gè)新的介電峰，這主要是由N的2p軌道電子向Sn的Ss軌道

8、躍遷形成的。反射率、折射率、吸收系數(shù)均對(duì)應(yīng)于介電峰發(fā)生了藍(lán)移現(xiàn)象。這些都為反位替代在電學(xué)和光學(xué)方面的研究提供了理論依據(jù)。
　　 之后，分析了本征和N摻雜的SnO2薄膜材料的電子態(tài)密度、介電函數(shù)、折射率和反射率。研究表明，未摻雜的兩種結(jié)構(gòu)均為半導(dǎo)體材料。在薄膜結(jié)構(gòu)的價(jià)帶頂部，電子占居較多，摻雜后的薄膜材料費(fèi)米能級(jí)處自旋向下的態(tài)密度有電子占居，而自旋向上并沒(méi)有電子分布，體系的自旋極化率達(dá)到100％，呈現(xiàn)出半金屬特性，導(dǎo)電性能相對(duì)較強(qiáng)

9、，這主要來(lái)源于N-2p軌道的電子。材料的能量損失函數(shù)、反射率、折射率與介電函數(shù)存在一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，各躍遷峰與電子間的躍遷有關(guān)，體系產(chǎn)生了三個(gè)主躍遷峰，摻雜后出現(xiàn)了一個(gè)新躍遷峰，新峰的產(chǎn)生是由于N原子的引入，摻雜N原子后使體系的光電性能發(fā)生了較明顯的改變。
　　 最后，對(duì)Sn16O31NI體系進(jìn)行注入電子和空穴，取得了有價(jià)值的成果，注入空穴比注入電子的Sn16O31NI體系禁帶寬度減小了0.02eV，比本征SnO2材料減小了1.12

10、eV，體系的費(fèi)米能級(jí)向高能級(jí)移動(dòng)，且分布著N_2p軌道的電子，此處的自旋極化率達(dá)到100％，由半導(dǎo)體轉(zhuǎn)變?yōu)榘虢饘俨牧?，?dǎo)帶也相對(duì)展寬，由此可見(jiàn)空穴注入對(duì)體系的導(dǎo)電性能有了很大的提高。三種體系均出現(xiàn)了三個(gè)介電峰，注入電子的體系與本征的光學(xué)曲線變化大致相同，且躍遷峰比較尖銳，注入電子后體系出現(xiàn)了紅移現(xiàn)象。注入空穴后體系的光學(xué)特性有明顯的變化，由于自旋極化的不同，其吸收系數(shù)、能量損失函數(shù)及折射率在高能區(qū)域發(fā)生反轉(zhuǎn)，三種體系中以空穴注入的Sn1