基于密度泛函理论的p型ZnO的掺杂改性研究

摘要

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。

目录

文摘

英文文摘

绪论

1.1.ZnO的基本结构和基本性质

1.2.ZnO的基本应用和研究现状

1.3.ZnO的本证缺陷和p，n型掺杂

1.4.基于DFT理论的第一性原理应用于ZnO的研究现状

1.5.本论文的主要工作

第二章 第一性原理计算基本理论和方法

2.1.绝热近似

2.2.单电子近似

2.3.Hohenberg-Kohn定理

2.4.交换关联能

2.5.赝势平面波法

2.6.CASTEP软件简介

第三章 体相及N掺杂ZnO的晶体结构和电子结构

3.1.计算模型

3.2.理想ZnO的晶体结构

3.3 电子结构

3.4.N掺杂ZnO所致p型的特性分析

3.5.小结

第四章 Ag，N共掺改善p型ZnO的理论分析

4.1.Ag掺杂ZnO的晶体结构和电子结构

4.2.Ag-N共掺杂ZnO的晶体结构和电子结构

4.3.结论

第五章 B-N共掺杂改善ZnO p型特征的分析与讨论

5.1.B掺杂ZnO的晶体结构和稳定性

5.2.B-N共掺杂的晶体结构

5.3.B-N共掺ZnO的态密度和电荷分布

5.4.小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢