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Ⅱ-Ⅵ族半导体ZnO是继GaN之后又一种新型的直接带隙宽禁带氧化物半导体材料,在常温常压下其能隙Eg=3.37 eV,而且相比于其他宽带隙半导体,ZnO有较大的激子束缚能,室温下其束缚能为60 meV,因此它是一种在紫外和蓝光发射方面很有发展前景的新型光电子材料.然而本征的ZnO是n型,p型掺杂稳定性不够好,空穴浓度不够高,这些因素使其仍然达不到实用化,这大大阻碍了ZnO光电材料的实际应用。为了深入研究p型ZnO难于获得的原因,本文通过密度泛函理论平面波超软赝势方法,从理论上系统地研究了非故意C原子掺杂ZnO晶体及其极性表面的特性。主要研究内容及结果如下:
一、计算了非故意C杂质在ZnO中可能存在的三种结构:C替代O位,C替代Zn位和C占据间隙位,我们对比分析了三种C掺杂ZnO的几何结构、杂质形成能和电子结构等的不同.研究表明:C杂质的存在导致ZnO晶格畸变,完整性变差,体积膨胀:在ZnO晶体中,C杂质最可能占据间隙位,而且在能带中对应引入施主能级,从而对p型ZnO掺杂电离形成的空穴进行补偿.因此我们认为C杂质的存在是p型ZnO难于制得的一个重要原因.
二、计算了ZnO极性表面的几何结构和电子结构特性,对比分析了ZnO(0001)和ZnO(0001)表面结构弛豫,能带结构,电子态密度,N吸附ZnO极性表面的形成能情况.计算结果表明相对于ZnO(0001)表面,ZnO(0001)表面受结构弛豫影响更加明显,而ZnO(0001)表面完整性更好.相对于体相ZnO结构,ZnO(0001)表面的能带带隙变窄,同时价带顶附近能级非局域性增强使晶体表面的导电性能变得更好;而ZnO(0001)表面的能带带隙变宽,由于O-2p态的存在,使价带顶附近出现了空能级,在热激发作用下,体内电子易向这些能级跃迁从而在表面形成电子聚集使表面带负电.
三、我们还研究了N原子吸附和嵌入ZnO(0001)表面的情况,发现N原子吸附面心位置的情况最稳定,而嵌入位在表面第一层处的形成能最低,因此N原子易集中于表面层中,而不是占据体内位置.