n型掺杂金刚石的第一性原理研究

【摘要】：金刚石中碳原子之间短而强的共价键使得金刚石显示出特殊的电子特性,因此引起了人们的广泛注意。金刚石的高载流子迁移率、高电子击穿场以及高热传导率,使得它在电子器件方面存在潜在的应用价值。金刚石中掺杂硼元素可以得到p型导电材料,但是由于缺乏有效的n型导电材料使得金刚石材料在电子器件方面的应用受到严重的阻碍。目前得到有效的n型导电材料还是一个难题。近年来,研究者的注意力主要集中在磷(P)、氮(N)和硫(S)元素掺杂金刚石上以期得到n型材料,其中N元素既可以存在于天然的金刚石中,也可以通过化学气相沉积或高温高压法注入金刚石中。替位式的N在金刚石中显示施主特性,但是由于其施主能级较深(距导带底1.7eV处),所以N掺杂的金刚石材料不适宜在室温条件下作为n型材料使用。据报道替位式P在金刚石中是浅施主,其施主能级在导带底0.6eV处,并且Koizumi已经成功地生长出高质量的P掺杂金刚石。但是得到的P掺杂金刚石n型薄膜的电子迁移率较低,从而不能满足现实的需要。替位式S在金刚石中显示n型导电特性,它可能是好的施主物质,但关于s的报道较少。除此之外,人们对能够表现施主特征的Li、Na, As、Sb等元素也进行了相关报道,其中Na仅限于理论上的探讨。 近年来,虽然在金刚石的n型掺杂研究方面取得了一定的进展,但是相关的高质量的电子器件至今没有取得。由于以上提到的单掺施主元素不能提供有效的n型金刚石,那么就有必要通过其它途径寻找有效的施主物质。共掺在调整半导体电子结构方面显示了许多优势,能够克服或避免一些单掺的不利因素,从而为寻找有效的施主杂质提供了途径。除了金刚石块体外,金刚石表面是另一个很有意义的课题。金刚石表面具有优异的性能,如负电子吸附性、在氢(H)饱和的情况下显示p型导电。在实验和理论方面已有很多关于氢饱和金刚石表面的研究。人们认为金刚石表面的氢钝化对实现金刚石的导电特性将起到关键的作用。针对以上这些问题,我们利用密度泛函理论研究了硼和硫族元素的共掺对金刚石导电特性的影响,以及N、P掺杂对金刚石(100)和(111)表面电子性质的影响。文章的结构如下： 第一章介绍了金刚石的相关基本性质：金刚石的物理化学性质,金刚石的结构、金刚石的分类、金刚石半导体器件及其应用、金刚石薄膜的制备以及金刚石n型导电的研究现状。 第二章介绍了密度泛函理论的基本概念、交换关联泛函及平面波赝势方法。以及对本文中所用到的计算软件做了简要说明。 第三章对B和X (X=O, S, Se和Te)共掺金刚石进行了计算,分析了各种模型的能带结构、态密度、掺杂原子的分波态密度和杂质的形成能,探讨了共掺杂质对金刚石电子和导电特性的影响。 第四章通过第一性原理研究了N和P的替位掺杂对H饱和金刚石(100)和(111)表面的电子性质的影响。分析了体系形成能、能带结构、电子态密度等,比较了杂质不同的掺杂位置对体系的电子结构的影响,从理论上预测金刚石表面n型化的可能性。 第五章对本论文的工作进行了总结,并对以后拟开展的工作进行了展望。