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ZnO光学性质与掺杂的第一性原理研究

欧阳桂仓  
【摘要】: 氧化锌(ZnO)是一种新型的Ⅱ-Ⅵ族多功能直接带隙化合物半导体材料,在室温下禁带宽度为3.37eV,束缚激子能高达60meV。在晶格特性和能带结构方面与GaN有许多相似之处,拥有可以比拟的光电特性,而且还具有更高的激子束缚能以及较低的生长温度,被认为是有望取代GaN的新一代短波长光电子材料,因而成为半导体材料科研领域的一个热门课题。但是,从1996年首次报导ZnO薄膜的室温紫外发射距今已有十余年,ZnO基激光二极管、发光二极管等短波长光电器件仍未达到实用化的水平,其中一个主要原因是高质量的p型ZnO薄膜的稳定、可重复制备工艺尚未实现。 围绕这种背景,本论文基于密度泛函理论,以第一性原理为研究方法,对本征ZnO及掺杂ZnO进行模拟研究,从以下四个方面开展了工作: 首先,研究了本征ZnO的电子结构,通过对能带结构、总体态密度、分波态密度的分析,说明了ZnO为直接宽带隙半导体,呈现出n型导电性,计算结果同时表明锌填隙( Zn_i)是造成p型掺杂困难的主要原因。 其次,我们还详细地计算了本征ZnO的复介电函数、复折射率、反射光谱、吸收光谱、能量损失函数等光学性质,探讨了微观结构与宏观光学响应的关系。通过比较,我们的计算结果和其他理论、实验值符合的很好。 然后,研究分析了以Ⅲ族(B、Al、Ga、In)原子对ZnO进行n型掺杂,在导带底出现掺杂原子贡献的大量电子,引起ZnO体系电导率的提高。随着Al掺杂浓度的增大,ZnO的整个能带向低能方向漂移,费米能级进入导带,简并化加剧。由掺杂模型的几何结构优化之后所得的晶格常数与实验值非常=接近,说明我们的计算结果是可信的。 最后,以不同N掺杂浓度和N+Al共掺的方式分别进行p型掺杂,计算结果表明:N单元掺杂时由于ZnO的自补偿作用,受主N在ZnO中的溶解度较低,难以实现p型掺杂;而N+Al共掺能有效提高受主N的溶解度,提高了ZnO体系空穴浓度,在价带顶附近形成了浅受主能级,有利于p型ZnO的形成,为实验上制备p型ZnO薄膜提供理论依据。


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