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近年来,ZnO作为新一代Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体材料,广泛应用于蓝光-紫外发光二极管及半导体激光器的研究.但是,同其他宽禁带半导体相似,ZnO的p型掺杂非常困难,严重限制了ZnO作为新一代半导体材料的广泛应用.本文系统地阐述了p型ZnO掺杂困难的原因,并从这些困难出发,预言并得到了几种改善ZnO p型特性的方法.
(1)采用基于DFT理论的第一性原理方法模拟并计算了Ag,N掺杂纤锌矿ZnO的晶体结构和电子结构,对Ag,N各自掺杂及二者共掺杂ZnO体系的晶格常数,原胞体积,杂质形成能,带隙结构及DOS分布等进行了深入的研究。研究的结果显示,掺N和掺Ag都能够使ZnO体现出p型,但掺杂后的特性又有所不同,通过对Ag-N共掺杂的模拟与计算我们发现,共掺在一定程度上实现了二者结构和性质上的互补,且相比于各自的掺杂来讲,共掺能够形成更低的受主能级,更高的受主态密度,此外,共掺使空穴分布的局域性降低,在一定程度上改善了ZnO的p型特征,并且随着掺杂的浓度的提高,共掺体现的优越性更为明显,因此有望实现p型ZnO更高的载流子浓度。
(2)采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法对B缺陷在ZnO中的存在形式进行了理论分析,对B-N共掺杂ZnO体系的晶格结构,杂质形成能,杂质态密度及电子结构进行了系统的研究。研究表明,B缺陷在掺杂体系中主要以BZn的形式存在,这种结构会引起相应的晶格收缩;研究发现与以往的N掺杂相比,共掺结构具有更低的杂质形成能,更高的化学稳定性,因此更加适合掺杂,此外,共掺能够形成更低的受主能级,因而减小了受主的杂质电离能,提高了受主态密度;研究显示共掺结构下的杂质N原子与体相Zn原子之间的键合能力提高,受主原子得电子的能力增强,因此B-N共掺有望成为一种更为有效的p型掺杂手段。