半导体中缺陷及电子特性的第一性原理研究

发布时间：2017-05-11 07:19

  本文关键词：半导体中缺陷及电子特性的第一性原理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：传统的半导体器件是利用半导体材料中电子的电荷性质性来完成特定功能的电子器件,而半导体器件的性质取决于材料中杂质和缺陷的种类、浓度分布等性质的控制,因此,研究半导体材料中的缺陷对电子电荷性质的影响是一个十分重要的课题。然而,随着纳米技术的发展,人们发现当半导体器件减小到纳米尺寸之后将会失去很多宏观特性,特别是器件的热噪声严重影响了器件的性能,也消耗了能源,这时电子自旋特性的利用却变得十分重要,它可以降低器件的能耗,消除热噪声。在这样的背景下,一门新的学科—半导体自旋电子学产生了,因此研究半导体材料中电子的自旋极化行为也是当前一个十分热门的课题。在对半导体材料自旋注入的研究过程中发现,半导体层与磁性层形成的界面缺陷以及半导体层中的掺杂对于半导体中电子的自旋注入起到了决定性的作用,因此,界面缺陷及掺杂对半导体自旋注入的影响是一个十分重要的研究课题。论文围绕几种半导体中的缺陷以及这些缺陷对半导体材料中的电子的电荷性质及自旋性质的影响进行了研究,具体研究了本征缺陷、表面缺陷及掺杂对半导体材料CdTe和InN中电子的电荷导电能力及导电类型的影响,解释了实验上关于CdCl2退火使CdTe薄膜导电能力增强以及利用离子注入法将Ba或Zn离子注入InN薄膜中使InN薄膜体内实现p型导电的实验现象；论文还研究了Si表面形成的二聚体缺陷对Si的费米面处电子的自旋极化行为的影响,为利用Si表面畸变使费米面处电子自旋发生极化提供了理论指导。论文取得了如下重要结果：1)研究了CdTe中的稳定缺陷组态。CdTe薄膜太阳电池的核心层CdTe薄膜内比较容易形成Cd空位(Vcd),形成能较小,稳定价态为-2价,是使CdTe薄膜成为p型导电的主要原因。反位替换缺陷Tecd也比较容易在CdTe薄膜中形成,但是它在薄膜中引入的缺陷能级比较靠近薄膜能隙的中间位置,成为了载流子的复合中心,减少了载流子的寿命。2)研究了CdCl2退火过程中杂质C1离子在p型CdTe薄膜内的的稳定组态。Cl离子主要替代Te离子(CITe)与VCd形成复合缺陷ClTe-VCd。另外,CdTe薄膜在高温经CdCl2退火处理后的降温过程是非热平衡过程时,复合缺陷ClTe-VCd的浓度随着温度降低而升高,并在温度为350 K左右完全形成了复合缺陷ClTe-VCd。而如果CdTe薄膜的降温过程是热平衡过程,那么复合缺陷ClTe-VCd的浓度随着温度的降低而减小,当温度下降达300 K左右时,CdTe薄膜内已没复合缺陷ClTe-VCd的形成。因此,热平衡的降温过程不利于复合缺陷ClTe-VCd的形成。3)研究了用离子注入方法将Ba或Zn离子注入进InN薄膜中,引入p型导电的机制。当Ba或Zn离子注入InN薄膜中时,由于InN薄膜表面有多余的电子,这些电子将Ba或者Zn离子引入的空穴补偿掉了,使得InN薄膜表面仍呈现n型掺杂。然而,随着Ba或Zn离子向InN体内的扩散,表面多余电子对空穴的补偿作用逐渐减弱甚至消失,这时,空穴对InN薄膜的导电能力起了主导作用,呈现出p型导电的特性。4)研究了Si中电子自旋极化行为。Si中费米面处电子具有自旋极化行为的关键因素是获得适当的Si表面二聚体原子的间距。纯净的Si中,由于稳定的二聚体原子间距较小,Si材料费米面处的电子不呈现自旋极化的现象。在LaMnO3/Si体系中,由于界面处Mn原子与Si原子之间具有库仑吸引力,表面Si原子向Mn原子方向移动,使得稳定的二聚体原子间距增大,并导致MnO2层中位于费米面之上的自旋向上态进入到了Si中,由于Si晶体的自旋向下态在费米面处有能隙,这就使得Si晶体中费米面处电子自旋处于完全极化的状态,该结果对于基于锰氧化物-Si半导体的自旋电子学器件来说具有很重的指导作用。
【关键词】：第一性原理计算 半导体 缺陷 电子特性
【学位授予单位】：南京大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304
【目录】：

• 摘要3-5
• Abstract5-9
• 第一章 绪论9-33
• 1.1 固体缺陷9-14
• 1.1.1 固体缺陷的类型10-11
• 1.1.2 固体缺陷的模拟计算11-14
• 1.2 半导体自旋电子学的研究14-26
• 1.2.1 自旋注入的研究15-21
• 1.2.2 基于硅的自旋电子学的发展21-26
• 1.3 论文选题意义26-27
• 参考文献27-33
• 第二章 理论基础及基于密度泛函的第一性原理计算33-47
• 2.1 密度泛函理论33-38
• 2.1.1 Hartree-Fock方程33-35
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn定理35-37
• 2.1.3 Kohn-Sham方程37-38
• 2.2 密度泛函理论的数值计算方法38-42
• 2.3 第一性原理的应用42-44
• 参考文献44-47
• 第三章 CdTe和InN中缺陷及电荷导电行为的研究47-73
• 3.1 研究背景47-50
• 3.2 CdTe薄膜中本征缺陷和掺杂的研究50-63
• 3.2.1 计算方法及结构模型50-53
• 3.2.2 本征缺陷与掺杂对CdTe薄膜性质的影响53-63
• 3.3 InN薄膜中Ba或Zn掺杂的研究63-66
• 3.3.1 计算方法及结构模型63-64
• 3.3.2 Ba或Zn掺杂对InN薄膜性质的影响64-66
• 3.4 小结66-69
• 参考文献69-73
• 第四章 Si中缺陷及自旋极化行为的研究73-93
• 4.1 研究背景73-75
• 4.2 计算方法及结构模型75-78
• 4.3 Si衬底自旋极化行为的研究78-86
• 4.4 掺杂对Si衬底自旋极化行为的影响86-90
• 4.5 小结90-91
• 参考文献91-93
• 第五章 总结93-95
• 博士期间成果95-97
• 致谢97-98

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