掺杂及空位Ga_2O_3的电子结构和物性研究

【摘要】：β-Ga_2O_3因其超宽的带隙(室温下4.90 e V)、具有独特的紫外透过特性、高击穿电场强度、并且可以实现低成本量化生产等优点,越来越多地被用于深紫外探测器、光平板印刷等光电子器件和光伏太阳能系统、电动汽车等大功率器件。但是,由于β-Ga_2O_3的导电性差,阻碍了其作为透明导电氧化物(TCO)的应用。掺杂和空位是改善材料光电性能的有效途径,但很少有文献系统地研究掺杂原子序数、掺杂和空位共存对材料的影响。因此本文基于第一性原理计算先从整体上研究了过渡金属(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu和Zn)掺杂β-Ga_2O_3的电子结构和物理性质。然后选取Si原子掺杂进行讨论,最后分析了掺杂和空位共存对β-Ga_2O_3的结构特性、电子特性和光学特性的影响。结果表明:1.本文中所有的掺杂体系、空位体系、共存体系使得β-Ga_2O_3体积略微变化,但未发生晶格畸变。所有体系都易于形成,比本征β-Ga_2O_3更稳定。并且所有体系都没有破坏材料的半导体特性,均为直接带隙半导体。2.过渡金属掺杂β-Ga_2O_3时,Ti掺杂β-Ga_2O_3最易形成,其次是V,Cr,Sc,Fe,Mn,Co,Ni,Cu和Zn掺杂。部分带隙随着原子序数的增加呈规律性变化。所有过渡金属掺杂体系都是简并半导体,提高了β-Ga_2O_3的电导率。所有掺杂体系都使β-Ga_2O_3发生红移。其中,铜掺杂在可见光范围内的吸收强度提高最明显。3.研究Si掺杂β-Ga_2O_3不同位置的物理性质。表明Si掺杂Ga2时最容易形成稳定结构,其次是Ga1、O1、O3、O2的位置。Si掺杂在Ga位置时带隙略微减小,导带价带变化较小。而当Si取代O时,带隙中产生了杂质能级,导带和价带大幅度向低能级方向移动,这将极大的助于光吸收和β-Ga_2O_3导电性的提高。Si掺杂在Ga位置体系出现了轻微的蓝移现象,而当Si掺杂在O位置时,体系发生了红移,并在可见光范围内吸收增强。其中,Si掺杂在O3位置时体系在可见光范围内吸收最强。4.研究Ga、O空位对氧化镓的电学和光学性质的影响,发现O空位比Ga空位更容易形成。各个空位都会产生杂质能级,使得体系红移。其中O空位在可见光范围内吸收增强更为明显。并且Ga_2O_3-VO(含有氧空位的氧化镓)出现电子载流子,具有n型导电性。5.研究空位和掺杂共存时对氧化镓的电子结构和光学性质的影响,发现掺杂和空位共存时比空位体系更稳定。Si掺杂和空位共存β-Ga_2O_3的电导率增加,红移明显,在可见范围内吸收强烈。其中,Si Ga_2O_3VO(Si掺杂β-Ga_2O_3含O空位)在光吸收方面优于Si Ga_2O_3VGa(Si掺杂β-Ga_2O_3含Ga空位),而其电导率小于Si Ga_2O_3VGa。