宽禁带半导体光电功能材料的理论研究

发布时间：2017-10-28 12:00

  本文关键词：宽禁带半导体光电功能材料的理论研究

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【摘要】：近些年来,以Ga N、Zn O、Si C、Zn Se以及金刚石等为代表的宽禁带半导体材料成为继以单质Si和Ga As为代表的第一代、第二代半导体材料之后迅速发展起来的第三代新型半导体材料。Zn O作为带隙宽度高达3.37e V、激子束缚能高达60 me V的宽禁带半导体,紫外激子发光有望在室温甚至更高温度下实现。然而,由于缺乏高效发光的pn结,高效的Zn O电泵激光迟迟没有实现。这是由于Zn O虽然容易实现n-型掺杂但是其p-型掺杂较难,多年来,重复获得高质量的p型氧化锌依然是有效获得Zn O基光电器件必须要解决的一个技术难题;另外,如何改善Zn O基光电器件的发光效率也一直被广泛关注。本文针对这两个问题进行了研究,取得的结果如下:(1)提出了氮掺杂氧化锌的优化p型新策略,这一策略能够有效抑制施主的补偿作用。我们通过分析氮在氧化锌表面的反应路径,证明了复合缺陷NZn-VO和NO-VZn是获得氮掺杂氧化p型导电性的关键因素。在锌极性面的生长过程中的亚稳态双施主复合缺陷NZn-VO不会引起同为施主的本征缺陷的补偿作用,起到抑制施主补偿的作用。而亚稳态双施主复合缺陷NZn-VO之后经触发可以越过势垒激活为稳定的双受主复合缺陷NO-VZn。混合泛函计算结果证明复合缺陷NO-VZn的最浅的受主能级位置位于价带顶之上0.23 e V处,相应的缺陷转变能级是0.16 e V,这一理论结果为实验上获得稳定可靠地p型氧化锌提供了新的可能的路径。(2)我们的研究小组除了致力于通过N掺杂制备出高效的p型Zn O,还一直在探索增强Zn O发光效率的新思路,其中包括通过石墨烯表面等离子体来增强Zn O发光的策略。截止到目前为止,通过石墨烯提高Zn O基器件的发光效率已经在实验室取得一些令人振奋的结果,如将单层石墨烯薄膜直接放在Zn O薄膜上可以明显观察到Zn O的光致发光强度较没有石墨烯的情况下增强了3.2倍。我们的小组也做了一些相应的理论研究并取得了较好的结果。我们注意到,在石墨烯增强氧化锌材料的发光应用中,除了要制备出高质量的Zn O,如何制备出高质量的、平整的单层石墨烯的制备也至关重要。在石墨烯的众多生长方法中,其直接在宽禁带半导体Si C衬底上的外延生长引起了我们的注意。Si C作为一种宽禁带材料,除了其因饱和漂移速度、热导率特别适合制作高压、高温、大功率电子器件以外,较高的临界击穿电场以及较低的漏电流也保证了它是一种好的介质材料,可以作为电子器件的衬底。石墨烯可以直接在Si C表面外延生长,并且不需要将石墨烯重新转移到别的衬底上。因此如何在Si C表面获得高质量的石墨烯一直被广泛研究,其中如何降低石墨烯在Si C表面外延生长的生长温度是一个US待解决的问题。本文针对这个问题进行了研究,取得的结果如下:对于在Si C(0001)表面石墨烯的外延生长,我们第一次提出空位辅助的Si-C键反转模型(Si-C flip model)。我们证明在石墨烯的生长过程中有几个关键阶段,也就是表面Si空位的形成、Si-C flip过程、表面Si原子蒸发过程、C原子积聚过程、表面分层以及石墨烯层的旋转过程等,在这几个关键阶段所需要的能量是不同的,我们提出可以通过在不同阶段控制能量束的方法来降低整个生长过程中的生长温度,并且通过严格控制能量束的空间分布和持续时间,我们有望在Si C沉底上得到高质量的并且尺寸和模式可控的石墨烯。(3)作为另外一种Ⅱ-Ⅵ族宽禁带半导体材料,Zn Se具有与Zn O类似的结构特性,既有纤锌矿结构又有闪锌矿结构,且对其掺杂研究最多的也是N掺杂。在室温下Zn Se以闪锌矿结构稳定存在,但是从晶体学观点出发,闪锌矿结构具有高对称性,因此此滑移面较多,容易产生滑移位错,从而使得Zn Se基发光器件的发光寿命受到限制。而纤锌矿结构对称性较低,只有一个滑移面,因此纤锌矿结构的Zn Se外延层的滑移位错扩散会被抑制,这样可以有效提高发光器件的发光寿命。因此如何获得稳定的WZ结构的Zn Se一直被广泛研究,根据这个问题,我们研究了Zn Se的晶格动力学,获得的结果如下:通过密度泛函微扰理论进行晶格动力学研究发现,我们发现G点的声子振动模式可以作为区分闪锌矿结构Zn Se(zb-Zn Se)和纤锌矿结构Zn Se(wz-Zn Se)的关键证明。声子频率对zb-Zn Se的晶格应变有线性依赖关系,然而,在wz-Zn Se中,声子频率随应变的变化更加复杂。我们还发现氮原子的引入可以导致zb-Zn Se向wz-Zn Se转变。在zb-Zn Se和wz-Zn Se结构中引入N可以在500 cm-1以上引入三个频率较高的晶格振动模式,并且这三个振动模式在wz结构中的劈裂比在zb结构中更大。
【关键词】：宽禁带半导体 氧化锌 石墨 碳化硅 硒化锌 晶格动力学
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304
【目录】：

• 摘要4-7
• Abstract7-12
• 第1章 绪论12-16
• 1.1 宽禁带半导体的基本属性和研究进展12-14
• 1.2 本论文的选题依据和研究内容14-16
• 1.2.1 选题依据14
• 1.2.2 研究内容14-16
• 第2章 理论基础16-32
• 2.1 引言16
• 2.2 密度泛函理论基础16-19
• 2.2.1 绝热近似17-18
• 2.2.2 Hartree-Fock近似18-19
• 2.3 密度泛函理论19-23
• 2.3.1 Hohenberg-Kohn定理20-21
• 2.3.2 Kohn-Sham方程21-23
• 2.4 交换关联泛函23-27
• 2.4.1 局域密度近似24-25
• 2.4.2 广义梯度近似25
• 2.4.3 DFT+U25-26
• 2.4.4 杂化密度泛函26-27
• 2.5 布洛赫定理和赝势平面波方法27-31
• 2.5.1 布洛赫定理27-28
• 2.5.2 赝势平面波方法28-31
• 2.6 VASP软件包简介31-32
• 第3章 p型ZnO掺杂机理的研究32-50
• 3.1 引言32
• 3.2 缺陷计算理论32-40
• 3.2.1 半导体掺杂中的几个基本概念33-34
• 3.2.2 半导体材料掺杂的计算方法34-40
• 3.3 N掺杂ZnO的p型导电性的来源40-49
• 3.4 本章小结49-50
• 第4章 SiC表面石墨烯生长机制研究50-81
• 4.1 思路:利用石墨烯增强ZnO的发光效率50-51
• 4.2 石墨烯的结构与基本性质及其制备方法51-59
• 4.2.1 石墨烯的结构与基本性质51-54
• 4.2.2 石墨烯的制备方法54-59
• 4.3 SiC表面石墨烯外延生长机制59-79
• 4.3.1 碳化硅的晶体结构59-61
• 4.3.2 碳化硅表面石墨烯外延生长的研究进展61-68
• 4.3.3 碳化硅表面石墨烯的外延生长机制68-79
• 4.4 本章小结79-81
• 第5章 ZnSe的晶格动力学研究81-94
• 5.1 引言81-85
• 5.2 计算方法85
• 5.3 计算结果与讨论85-92
• 5.3.1 ZB-ZnSe与WZ-ZnSe晶格的声子色散曲线85-88
• 5.3.2 N掺杂ZB-ZnSe以及WZ-ZnSe晶格的声子色散曲线88-90
• 5.3.3 应变对光学声子频率的影响90-92
• 5.4 本章小结92-94
• 第6章 结论与展望94-96
• 6.1 结论94-95
• 6.2 展望95-96
• 参考文献96-112
• 在学期间学术成果情况112-113
• 指导教师及作者简介113-114
• 致谢114

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本文编号：1108103