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SnO、Ag_2S半导体能带及电子特性的理论计算与实验研究

徐飒飒  
【摘要】:当前,世界范围内研究较热门的两种半导体材料分别是SnO和Ag_2S。其中,在常温常压下,SnO是一种蓝黑色金属结晶粉末,化学特性稳定,其直接带隙为2.7e V,间接带隙为0.7e V。因其电子亲和势相对较大而电离势较低,所以既可进行n型掺杂又有利于p型掺杂,因此,近来在低维半导体薄膜及新型场效应晶体管研究与制备方面得到了人们的广泛关注。Ag_2S是一种n型直带隙半导体材料,带隙宽度约为0.93e V,光吸系数较大,具有极高的化学稳定性、光电性质和热电特性,是新一代光、电及新能源材料和器件制备的首选材料。本论文在充分调研这两种新型半导体材料在制备、特性机制及器件应用方面最新研究进展的基础上,针对目前SnO和Ag_2S两种半导体材料的理论、制备工艺及器件应用方面的最新热点研究问题,系统开展了材料能带的理论计算、相关特性实验分析、器件制备与特性等研究工作,论文主要工作内容如下:1、采用第一性原理计算方法,使用MS材料计算软件,分别对本征SnO,Sb、Al掺杂的SnO半导体,本征Ag_2S及Te掺杂的Ag_2S半导体的能带、态密度、电子特性等进行了理论计算,对能带及总体态密度产生的原因及差异性进行了对比分析,从理论上分析了不同百分比的掺杂元素对SnO和Ag_2S两种半导体电子特性的影响机制。2、利用磁控溅射法,在不同沉积条件下分别制备了纯SnO及Sb、Al掺杂的SnO半导体薄膜,对其特性进行了测试分析。通过控制溅射功率、沉积时间等相关参数,在特定条件下制备出了具有不同特性的薄膜样品,并对样品的表面形貌、晶体结构、化学成份、导电特性等进行了分析表征,并对薄膜生长过程的物理机制及影响因素等进行了分析讨论。3、利用本征SnO、掺杂半导体Al/SnO、Sb/SnO薄膜,制备出了不同沟道宽度、不同Sb、Al掺杂比例的底栅型场效应晶体管。通过改变栅压大小、光照条件等对不同条件下制备的场效应晶体管的IV特性与光电特性进行了比较分析。研究发现,通过Sb、Al的掺杂,SnO薄膜的导电性可得到显著改善。其中,Sb的掺杂更能提高SnO的导电性,实验对比研究结果与掺杂前后的能带理论结果完全一致;光电特性实验发现,相对于本征SnO、掺杂Al/SnO,Sb/SnO半导体器件具有更高的光电响应的灵敏度,Sb掺杂SnO半导体器件的光电响应特性最佳。因此,Sb/SnO半导体器件最有望应用到下一代新型CMOS器件和光电器件中。4、在对Ag_2S热电材料的制备及检测中发现,本征Ag_2S样品的电导率相对较高,但其塞贝克系数较低。而掺杂改性的Te/Ag_2S半导体热电材料样,电导率较低,但其塞贝克系数明显高于Ag_2S,掺杂改性后的Te/Ag_2S热电材料样品具有更高的热电优值,显示出了更优良的热电特性和应用前景。由此,可利用掺杂进一步提高Ag_2S半导体热电材料的热电性能。


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