氮化铝掺杂的第一性原理研究与体单晶的制备

发布时间：2020-07-02 18:19

【摘要】：氮化铝(Al N)晶体作为第三代半导体材料的典型代表,是发展新型光电器件的理想材料。由于大尺寸、高质量的Al N体单晶材料难以制备,人们对Al N晶体性质的研究(特别是掺杂对其特性影响的研究)相对缺乏,阻碍了Al N基新型器件的发展。本文的主要工作分为两大部分:(a)进行了Al N晶体的生长实验研究,并给出材料的相应表征数据;(b)结合Al N的实验参数,从理论上重点描述了Al N晶体的掺杂特性。掺杂的理论研究作为本论文的重点内容,主要包括:采用基于密度泛函理论的全势线性缀加平面波法,对I族、II族、IV族以及过渡金属元素掺杂纤锌矿Al N晶体进行了系统的第一性原理计算,从晶格结构、电子态密度、能带结构、磁性和光学性质等方面对掺杂给晶体性质带来的影响进行了讨论,补充及完善了关于Al N掺杂的相关理论研究。本文着眼于分析不同掺杂元素和掺杂方法对Al N晶体的各种性质的变化情况,探寻它们之间的存在的规律和机理,并重点研究了I族掺杂元素的不同掺杂方法对Al N晶体的p型导电性、磁性和光学各向异性的影响。本文主要内容分六章描述,其结构如下:第一章介绍了Al N晶体的制备、性质及掺杂研究现状,并概述本论文工作的基本内容;第二章详细地说明了第一性原理计算的相关理论背景及依据;第三章研究纤锌矿Al N晶体的实验制备和参数表征,对在无杂质和空位、氧杂质等缺陷存在情况下的晶体结构进行了电子态密度分析;第四章,首先研究了IA组元素(Li、Na、K)单掺杂和共掺杂Al N的p型、稀磁和光学性质等,并对比研究了Li、Na、K掺杂另一种III-V族化合物(Al P晶体)的相应性质,然后探讨了采用不同碱金属元素的替位掺杂引入磁性的机理,分析了掺杂后带来的晶体光学各向异性的改变,此外,Ag、Cu作为IB族重要的非磁性元素,我们研究了其对Al N稀磁特性的影响;第五章研究了C-Si共掺杂Al N晶体的各种性质并对比分析了其他IV族元素共掺杂Al N晶体的电子结构,同时,对II族(Mg、Zn、Ca、Sr、Ba)元素的单掺杂对Al N电子态密度的影响做了讨论,此外,为了同I族元素掺杂Al N的自旋电子态密度进行对比,还描述了不同过渡金属元素(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni)单掺杂Al N时自旋电子态密度的变化趋势;第六章对整个论文的研究工作进行了总结,并对后续工作进行了展望。本文取得的主要成果如下:(1)采用物理气相传输法,利用自发成核原理制备出了最大尺寸为英寸级(直径2.2厘米左右)的Al N体单晶,为Al N基新型光电器件的研究打下了基础。(2)提出了IA族碱金属(Li、Na、K)和F共掺纤锌矿Al N晶体的掺杂方式,并结合IA族碱金属单掺杂以及与O共掺杂的方法,通过第一性原理计算对掺杂后晶体的结构、电子、能带、铁磁以及光学性质进行综合分析研究。研究发现,Li-O共掺杂无论在富Al还是富N条件下都具有很低的杂质形成能,并能在价带上方减弱杂质能级的局域化程度,非常有利于Al N的p型掺杂。在除了Li-F和Na-F共掺杂情况外的其他掺杂晶体中都引入了稀磁特性,而O和F原子在掺入晶体后仍保持了其本身的非磁性态;同时发现,在Li-F共掺杂Al N中的自旋极化能是零,因而可以用其来调节Al N晶体的带隙宽度而不改变Al N晶体本身的非磁性状态。此外,共掺杂还显著地降低了Al N晶体光学性质的各向异性,有利于Al N晶体在均匀发光领域的应用。(3)研究了IA族元素(Li、Na、K)单掺杂Al P系统的铁磁性质并通过电荷转移机制对磁性来源进行了理论分析。通过第一性原理计算发现,在3.125%的掺杂浓度下,Li杂质引入的磁矩几乎为零,而Na、K掺杂的Al P晶体也不能在室温下引入稳定的磁性;但是随着掺杂浓度的降低,可以使得杂质能级的局域化加强,减小自旋极化能,Li掺杂的Al P就有可能获得稳定的铁磁基态。(4)通过第一性原理研究了Ag掺杂Al N的p型特性和铁磁性质,并和Cu掺杂时的情况进行了对比。研究发现,Ag掺杂Al N的晶格形变较小,在保持了直接带隙特征的同时成功实现了晶体的p型掺杂。Ag掺杂Al N的电子态密度中的自旋非对称性来源于Ag-d态和N-2p态的电子杂化。掺杂后晶体的铁磁性受掺杂浓度的影响;在6.25%掺杂浓度下,Ag掺杂的Al N晶体可以实现稳定的铁磁基态;而当浓度上升至12.5%时,铁磁基态将消失。
【学位授予单位】：深圳大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304.2

【参考文献】