氧化镓晶体有效p型掺杂第一性原理研究
本文关键词: 第一性原理 p型氧化镓晶体 本征缺陷 单金属掺杂 金属-非金属共掺 出处:《山东大学》2017年硕士论文 论文类型:学位论文
【摘要】:宽禁带半导体材料由于其独特的性质和广泛的应用潜力已经成为当今最热门的材料之一,其中β-Ga_2O_3晶体作为第四代宽禁带半导体材料已经展示出了可以应用在许多领域的优异性能,主要应用领域包括:高温气敏器件、深紫外光电器件和超高压功率器件。为了能够生长出质量较高、载流子浓度可控的n型和p型β-Ga_2O_3晶体,掺杂成为了一个重要的手段。经过多年研究,已经成功制备了n型半导体,并且可以实现载流子浓度在一定程度上的调控,然而p型半导体的制备仍是一大难题,这也在一定程度上制约着β-Ga_2O_3基半导体器件的应用范围。经过实验和理论工作者们不断的研究和讨论,目前来看,造成p型掺杂困难的原因主要归结为三个方面:(1)n型背景载流子的自补偿效应;(2)缺少浅能级受主;(3)受主离子易钝化。本论文针对β-Ga_2O_3晶体有效p型掺杂的困难,采用第一性原理的方法,针对前两个困难进行了探讨,重点研究了本征缺陷对晶体导电性质的影响以及对浅能级受主杂质的探寻,在单金属掺杂的基础上还进一步考虑了金属-非金属共掺的情况,从理论上为p型掺杂β-Ga_2O_3晶体的生长提出了一些可能的实现途径。通过形成能的计算,分别确定了不同缺陷或者掺杂情况下的最优构型,并针对最优结构对其电学性质进行了较为详细的研究。通过分析含有本征缺陷体系的态密度和能带结构得出,Gai、Gao和GaiVo表现出n型导电特性,相反VGa、GaiVGa和OiVGa则属于p型缺陷,而n型缺陷往往在富镓缺氧的条件下容易引入,p型缺陷则在富氧缺镓的条件下容易引入,因此我们认为富氧条件下生长β-Ga_2O_3晶体则相对更容易得到p型半导体。针对p型浅能级受主杂质的探究中,我们通过对形成能及态密度的综合分析得出Na、Mg、Ca、Cu、Ag、Zn和Cd均为潜在的p型杂质,这还需要后续的实验进行进一步的研究。另外,对金属-氮共掺的β-Ga_2O_3晶体的计算中发现,共掺后形成能相对于单掺杂时较低,并且由于电荷补偿效应,其总体上均体现出p型导电的特性。因此,金属-非金属共掺可能是一种很好的解决晶体p型掺杂困难的有效方法。另外,我们计算了金属掺杂β-Ga_2O_3晶体的光吸收谱,其主吸收峰虽然会发生红移,但吸收边位置几乎保持不变,因此金属掺杂对其紫外光的透过率影响不大,不会影响其在深紫外光电器件领域的应用。最后我们还讨论了金属-氮共掺的β-Ga_2O_3在光催化全解水方面应用的可能性,认为Sc-N共掺杂的晶体在该领域具有一定的应用前景。
[Abstract]:Wide band gap semiconductor materials have become one of the most popular materials due to their unique properties and wide application potential. Among them, 尾 -Ga _ 2O _ 3 crystal as a 4th generation wide band gap semiconductor material has shown excellent performance in many fields, including high-temperature gas sensing devices, Deep ultraviolet optoelectronic devices and ultra-high voltage power devices. In order to grow high quality, n-type and p-type 尾 -GaS _ 2O _ 3 crystals with controllable carrier concentration have become an important means of doping. The n-type semiconductor has been successfully prepared, and the carrier concentration can be controlled to a certain extent. However, the preparation of p-type semiconductor is still a big problem. This also restricts to some extent the scope of application of 尾 -Ga2O3-based semiconductor devices. After constant research and discussion among experimental and theoretical workers, at present, The reasons for the difficulty of p-type doping are mainly attributed to three aspects: the self-compensation effect of the 1 / 1 / n type background carrier (2) the absence of the shallow level acceptor, and (3) the easy passivation of the acceptor ions. In this paper, the difficulty of effective p-type doping in 尾 -Ga _ 2O _ 3 crystals is pointed out. In this paper, the first two difficulties are discussed by the first principle method. The effect of intrinsic defects on the conductivity of crystal and the impurity of shallow level acceptor are studied. On the basis of monometallic doping, the case of metal-nonmetallic co-doping is further considered, and some possible ways to realize the growth of p-doped 尾 -Ga _ 2O _ 2O _ 3 crystals are proposed theoretically, and the formation energy is calculated by calculating the formation energy of p-doped 尾 -Ga _ 2O _ 2O _ 3 crystals. The optimal configuration of different defects or doping is determined respectively. Based on the analysis of the density of states and the energy band structure of the system containing intrinsic defects, it is found that Gai-Gao and GaiVo exhibit n-type conductivity, whereas VGaGA-GaiVGa and OiVGa belong to p-type defects. On the other hand, n-type defects are easy to be introduced under the condition of gallium enrichment and hypoxia, while the n-type defects are easy to be introduced under the condition of rich oxygen and lack of gallium. Therefore, we think that it is easier to obtain p-type semiconductor by growing 尾 -Ga2O3 crystals under oxygen-enriched conditions. Through the comprehensive analysis of the formation energy and density of states, it is found that both Cu (Ag) Zn and CD are potential p-type impurities, which requires further study in subsequent experiments. In addition, it is found in the calculation of 尾 -Ga2O3 crystals co-doped with metal and nitrogen. The formation energy of co-doped is lower than that of single doping, and because of the charge compensation effect, all of them exhibit the characteristics of p-type conduction. Metal-nonmetallic co-doping may be an effective method to solve the problem of p-type doping. In addition, we have calculated the optical absorption spectra of metal-doped 尾 -Ga2O3 crystals. However, the position of absorption edge is almost unchanged, so metal doping has little effect on the transmittance of ultraviolet light. It will not affect its application in the field of deep ultraviolet photovoltaic devices. Finally, we also discuss the possibility of the application of metal-nitrogen co-doped 尾 -Ga2O3 in total photocatalytic decomposition of water. It is considered that Sc-N co-doped crystals have a certain application prospect in this field.
【学位授予单位】:山东大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:O614.371;O73
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本文编号:1499061
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