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ZnO是一种宽禁带(Eg≈3:37eV)、直接带隙、II-VI族半导体材料,在室温下ZnO具有较大的激子束缚能(≈60meV),在晶格特性和能带结构方面与GaN有许多相似之处,拥有可以比拟的光电特性,而且还具有更高的激子束缚能以及较低的生长温度,被认为是有望取代GaN的新一代短波长光电子材料。要实现其在光电领域的广泛应用,必须获得性能良好的n型和p型ZnO材料。高质量的n型ZnO很容易实现,但ZnO薄膜中存在本征缺陷,受主元素在ZnO中的溶解度较低及引入的受主能级均较深,使得p型ZnO薄膜难以制备,从而影响了ZnO薄膜的应用,因此性能良好的p型ZnO材料就成为了研究难点和重点。
围绕这一背景,本论文基于密度泛函理论的第一性原理方法,对本征ZnO以及掺杂ZnO进行模拟研究。主要研究内容如下:
首先,研究了本征ZnO的电子结构,通过对能带结构、总体态密度及分波态密度的分析,说明了ZnO为直接宽带隙半导体。
其次,研究分析了以Ⅲ族Ga原子对ZnO进行n型掺杂,在导带底出现掺杂原子贡献的大量电子,引起ZnO体系电导率的提高。
然后,以N掺杂,Ga-N与Ga-2N共掺杂ZnO的方式分别进行p型掺杂,计算结果表明:N单独掺杂时由于ZnO的自补偿作用,受主N在ZnO中的溶解度较低,因此难以实现p型掺杂。而Ga-N与Ga-2N共掺杂能有效提高受主N的溶解度,提高ZnO体系空穴浓度,在价带顶附近形成浅受主能级,有利于p型ZnO的形成。
最后,研究了Be掺杂,Mg掺杂,Be-2Mg与Be-4Mg共掺杂ZnO的电子结构,并分析了各种掺杂对带隙的影响。