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《山东大学》 2010年
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非磁性离子掺杂宽带隙半导体磁性的第一性原理研究

俞琳  
【摘要】:宽禁带半导体材料(Eg2.3eV)又称为第三代半导体材料,主要包括Ⅲ族氮化物、金刚石、ZnO、SiC等。和第一代、第二代半导体材料相比,第三代宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场强度高、饱和电子漂移速度高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强以及良好的化学稳定性等特点,非常适合于制作抗辐射、高频、大功率和高密度集成的光电子器件,在国防军工、生物医学、电子电路、能源存储以及环境保护等方面有着广泛的应用。 宽禁带半导体氧化物,如TiO2、ZnO中掺入Mn、Fe、Co等3d过渡族金属元素或者稀土元素具有铁磁性,常规半导体材料如GaAs、InAs、Ge、Si中掺入Mn同样也出现铁磁性。这样的带有磁性的半导体称为稀磁半导体(Diluted magnetic semiconductors, DMS)。DMS因兼具有半导体和磁性的性质,即在一种材料中同时应用电子电荷和自旋两种自由度,是实现自旋电子学的最好材料。然而目前的实验和理论研究还大多局限于3d过渡族金属在宽禁带半导体中引起的磁学相关性质。近年来,人们发现许多非磁性粒子掺杂半导体也出现了常规磁学理论无法解释的室温铁磁现象。本论文基于密度泛函理论,针对以上问题开展了理论结合部分实验的研究工作,详细研究了非磁性粒子在与3d过渡族金属共掺和单独存在于宽禁带半导体中的相关磁性。论文的结构如下: 第一章分别介绍了氮化镓和碳化硅两种宽禁带半导体相关性质的研究现状,阐明了本论文研究的理论意义和实际意义。 第二章简要介绍了密度泛函理论的基本框架和近年来的理论发展。密度泛函理论的发展以寻找合适的交换相关能量泛函为主线。从最初的局域密度近似(LDA)、广义梯度近似(GGA)到现在的杂化泛函,使计算结果的精确度越来越高。除了改进交换相关泛函,近年来密度泛函理论向动力学平均场和含时等方面的扩展也很活跃,使得密度泛函理论的应用领域不断扩大。 第三章基于密度泛函理论计算,我们研究了碳/锰共掺氮化镓磁性增强的原因,为实验提供了确凿可信的理论解释和依据。 第四章分析研究了单独碳元素掺杂氮化镓引起的弱磁性及其铁磁耦合的机制。 第五章中探讨了硅对增强钆/硅共掺氮化镓磁性的影响。 第六章中,我们详细研究了铝掺杂4H碳化硅的几何构型与电子结构,计算结果显示,铝单独掺杂4H碳化硅不能引起自旋极化现象。而4H碳化硅内部的硅空位缺陷和铝形成的复合缺陷可引起铁磁耦合。 第七章对本论文的工作进行了总结,并对今后拟开展的工作进行了展望。
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