Mg-F-N共掺实现具有低受主能级的稳定p型ZnO

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ZnO是一种多功能的化合物晶体材料,其特性决定了它在光电、压电、铁磁、气敏、光敏等领域具有广阔的应用前景,特别是作为蓝/紫外光电器件的优选材料被寄予厚望,基于其在光电器件LED及LD等的应用前景,ZnO同质结的实现一直以来备受关注。ZnO与大多数的宽禁带半导体材料类似,其在p型或n型掺杂特性方面呈现单极性,ZnO表现为其p型特性极难实现,主要原因是:p型ZnO受主能级偏高;受主元素在ZnO中的固溶度低;p型特性稳定性差无法长时间保持;本征施主缺陷的补偿。直到目前稳定有效的p型ZnO的获得依然制约着其应用。而有效的p型ZnO的实现对ZnO在光电领域的应用具有十分重要意义。本文介绍了密度泛函理论的量子力学基础及基本理论框架,以及基于这一理论的第一性原理计算软件CASTEP,在密度泛函理论框架下的第一性原理平面波超软赝势方法下,对氧化锌的p型掺杂做了研究,设计了通过镁氟氮三元素共掺杂氧化锌来实现有效稳定的p型氧化锌。论文以N作为受主元素,通过F及Mg的引入提高N在ZnO中的固溶度及降低N受主元素能级来实现稳定有效的p型ZnO。通过研究N单掺,N-Mg共掺,F-N共掺及F-Mg-N共掺ZnO的能带结构及态密度来分析F、Mg的引入对N掺杂的影响的内部机理,进一步计算了各体系下N的受主能级,缺陷形成能及杂质元素间的结合能。以此来判断体系的稳定性,以及p型掺杂的有效性。研究发现采用Mg、F、N三种元素共掺ZnO能够增加体系结构的稳定性同时降低ZnO中N的受主能级,从而实现稳定有效的p型掺杂。
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