Be,Mg掺杂ZnO基半导体材料的结构及电学性质的理论研究

发布时间：2018-05-12 15:20

  本文选题：ZnO + BeMgZnO　； 参考：《中国科学技术大学》2017年博士论文

【摘要】：ZnO是一种宽禁带直接带隙半导体材料,其室温下带隙宽度为3.37 eV,并且激子束缚能高达60 meV。这些优异的光学性能使ZnO在紫外(UV)光电器件领域具有非常巨大的应用前景,例如可以用来制备LED和紫外探测器。近年来,在这些潜在应用中,ZnO作为潜在的R盲探测器材料日益受到研究者们的关注。目盲探测器是指可以工作在目盲波段的光探测器,该波段的光子的能量范围为4.4～5.6eV(对应波长280～220 nm)。很明显,ZnO晶体的带隙仍然偏低,并不能满足这一要求,必须对ZnO的带隙进行调节。为此,研究者们就提出可以将ZnO与同为Ⅱ-Ⅵ族氧化物半导体的MgO和BeO进行合金化。不过,获取高质量且带隙位于目盲区间的ZnO基材料仍然是十分困难的事。此外,ZnO的p-type掺杂一直严重地制约了其在光电子器件领域的应用。本论文就Be、Mg掺杂的ZnO基材料的物理性质以及ZnO中p-type导电性进行了系统而深入的研究。本论文共分为六个章节。在第一章中,我们总结了近年来关于ZnO基目盲探测器材料和ZnO中p-type掺杂的研究进展。在第二章中,我们简单介绍了本论文计算中所使用到的集团展开方法和SQSs方法。在第三章中,通过理论计算以及实验方法,我们研究了 Be_xM_gyZn_(1-x-y)O合金的相变问题。我们发现随着Be组分的增加,纤锌矿BexMgyZn1-x+yO合金中可掺杂Mg组分的极限值也在不断增加。通过计算,我们获得了相变点处合金的带隙随着Be、Mg浓度变化的基本趋势。同时,在理论的指导下,成功地制备出了带隙值位于目盲区间的Be_xM_gyZn_(1-x-y)O合金材料。另外,通过将第一性原理计算和集团展开方法相结合,我们深入地研究了有限温度下Be_xM_gyZn_(1-x-y)O合金中的相分离问题。我们发现BexMgyZr1-x+yO合金的相分离行为由Be组分主导。在合金的分离相中,Be1/3Zn2/30依旧是一种宽禁带直接带隙半导体材料,其带隙值为4.88eV,是一种很有前景的目亩探测器材料。在第四章中,我们研究了 Be,Mg掺杂ZnO中杂质的物理性质。通过第一性原理计算我们发现间隙Be原子(Be1)更倾向在ZnO中的原子基面内迁移。在迁移过程中,Be1可以和替位Be原子(BeZn)相结合形成缺陷复合体(2Be)Zn,由此导致ZnO基质中的Be原子聚集。然而,替位Mg原子(MgZn)可以破坏缺陷复合体(2Be)Zn的稳定性。因此,在Be掺杂的ZnO中加入Mg杂质可以有效的抑制Be组分的聚集,这极大地改善了Bc在调节ZnO带隙过程中所能起到的作用。此外,借助于第一性原理方法,我们还系统地研究了 Be掺杂ZnO中激子束缚能增大的问题。基于对系统电子结构的分析,我们发现,Be掺杂ZnO中激子束缚能的增大主要是由Be杂质对系统电子态分布所产生的长距离扰动所引起的。在第五章中,我们研究了浅受主缺陷复合体在N掺杂ZnO体内和表面生长过程中的形成机理。基于第一性原理计算,我们发现通过电荷转移以及受主能级与受主能级之间的排斥作用,浅受主缺陷复合体NO-V_(Zn)可以很容易地在N掺杂ZnO中形成。更重要的是,NO-V_(Zn)经过氢化之后可以变得更加稳定。而氢化后形成的(NO-nH)-V_(Zn)(n=1-2)都是浅受主缺陷,离化能都不超过162 meV,与实验观测值符合地非常好。此外,我们还发现,即使No-V_(Zn)可以在ZnO的表面形成,但随其沉积到表层原子的下方,NO-V_(Zn)就无法稳定存在。然而,氢化的NO-H-V_(Zn),不仅可以在ZnO的表面很轻易形成,而且还可以随着表面生长而顺利地沉积到ZnO的内部稳定存在。我们的研究结果表明,引入恰当浓度的H对于实验上制备高质量p-type导电性的N掺杂ZnO具有非常重要的意义。在第六章中,我们系统地研究了在表面生长过程中Be杂质对N掺杂的辅助作用。我们发现,Be-N dimer和ZnO表面的台阶区域的Be杂质可以有效地增强ZnO表面生长过程中N的掺杂。
[Abstract]:ZnO is a wide band gap direct band gap semiconductor material. The band gap width at room temperature is 3.37 eV, and the exciton binding energy is up to 60 meV.. These excellent optical properties make ZnO have great application prospects in the field of ultraviolet (UV) optoelectronic devices, such as the preparation of LED and UV detectors. In recent years, Zn O, as a potential R blind detector material, is increasingly concerned by researchers. The blind detector is a light detector that can work in the blind band of the eye. The energy range of the photon is 4.4 to 5.6eV (280~220 nm at the corresponding wavelength). It is obvious that the band gap of the ZnO crystal is still low, and the band gap of ZnO must not be satisfied. For this reason, the researchers have proposed that ZnO can be alloyed with MgO and BeO with the same II - VI oxide semiconductors. However, it is still very difficult to obtain high quality and band gap ZnO based materials in the blind range. In addition, the p-type doping of ZnO has been seriously restricting its application in the field of optoelectronic devices. In this paper, the physical properties of Be, Mg doped ZnO based materials and the p-type conductivity in ZnO are systematically and deeply studied. This paper is divided into six chapters. In the first chapter, we summarize the recent advances in the research on ZnO based blind detector materials and p-type doping in ZnO. In the second chapter, we briefly introduce this paper In the third chapter, we have studied the phase transition of Be_xM_gyZn_ (1-x-y) O alloy by theoretical calculation and experimental method in the third chapter. We found that with the increase of Be component, the limit value of the doped Mg component in the BexMgyZn1-x+yO alloy of wurtzite is also increasing. We obtained the basic trend of the change of the band gap with Be, Mg concentration at the phase transition point. At the same time, under the guidance of the theory, the Be_xM_gyZn_ (1-x-y) O alloy material with the band gap value in the blind area was successfully prepared. In addition, by combining the first principle calculation with the group expansion method, we deeply studied the Be at the finite temperature. Phase separation in _xM_gyZn_ (1-x-y) O alloy. We found that the phase separation behavior of BexMgyZr1-x+yO alloys is dominated by Be components. In the separation phase of the alloy, Be1/3Zn2/30 is still a wide band gap direct band gap semiconductor material, and its band gap is 4.88eV, which is a promising material for the target detector. In the fourth chapter, we study The physical properties of impurities in the Be, Mg doped ZnO are calculated. Through the first principle, we find that the interstitial Be atom (Be1) is more inclined to migrate in the atomic base of ZnO. In the process of migration, Be1 can be combined with the substitutional Be atom (BeZn) to form a defective complex (2Be) Zn, which leads to the aggregation of the atoms in the ZnO matrix. Zn) can destroy the stability of the defect complex (2Be) Zn. Therefore, the addition of Mg impurities in the Be doped ZnO can effectively inhibit the aggregation of the Be components, which greatly improves the function that Bc can play in the regulation of the ZnO band gap. In addition, the exciton binding energy in Be doping ZnO is also systematically studied with the help of the first principle method. An enlarged problem. Based on the analysis of the electronic structure of the system, we found that the increase of exciton binding energy in the Be doped ZnO is mainly caused by the long distance disturbance produced by the Be impurity in the distribution of the electronic states of the system. In the fifth chapter, we studied the forming machine of the shallow acceptor complex in the body and surface growth of the N doped ZnO. Based on the first principle calculation, we found that the shallow acceptor defect complex NO-V_ (Zn) can easily be formed in the N doped ZnO by the charge transfer and the rejection between the acceptor energy level and the acceptor energy level. More importantly, NO-V_ (Zn) can become more stable after hydrogenation. And the hydrogenated (NO-nH) -V_ (Zn) (n=1-) (n=1-) 2) all are shallow acceptor defects, and the ionization energy is not more than 162 meV, which is in good agreement with the experimental observations. In addition, we also found that even if No-V_ (Zn) can be formed on the surface of ZnO, NO-V_ (Zn) can not exist with its deposition to the surface of the surface atom. However, the hydrogenated NO-H-V_ (Zn) can not only be easily formed on the surface of ZnO, Moreover, the internal stability of ZnO can also be deposited smoothly with the surface growth. Our research results show that the introduction of appropriate concentration of H is very important for the preparation of N doped ZnO with high quality p-type conductivity in the experiment. In the sixth chapter, we systematically studied the doping of Be to N in the process of surface growth. In addition, we found that Be impurity in the step area of Be-N dimer and ZnO can effectively enhance N doping in the surface growth of ZnO.

【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN304.21

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