掺杂二氧化锡的第一性原理计算及器件性能研究

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目前,宽带隙二氧化锡透明导电薄膜,因具有一系列独特的光电性能,如可见光透光性好、制备温度低、化学性能稳定、电子饱和漂移速度快以及室温下抗腐蚀能力强等优点,被广泛的研究和应用于液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)、太阳能电池、气体传感器租晶体管等领域,且成为最有望替代ITO的新型TCO材料。  迄今为止,高性能的n型SnO2材料已经获得广泛的研究和应用,但高稳定性的p型SnO2半导体材料却难以制备,使得SnO2材料在光电子器件中只能作为无源器件使用,限制了其使用范围。因此,研究和开发新型的性能优良的p型SnO2 TCO薄膜材料具有重要的科研和应用价值。  本论文在综合评述SnO2的p型掺杂的研究进展的基础上,选取(In,Ga)掺杂SnO2作为研究对象,在理论计算和实验研究两方面开展了研究。在理论方面,通过模拟计算方法对本征SnO2、SnO2∶In、SnO2∶Ga和共掺SnO2∶(In,Ga)体系进行了系统研究,并对不同浓度(In,Ga)共掺SnO2的电子结构和光学性能进行了比较研究,从不同角度阐明了其能带、态密度、电荷密度和光学性质;在实验方面,采用真空电子束蒸发和光刻等方法制备了以SnO2∶(In,Ga)为有源层的薄膜晶体管(FET)薄膜器件,采用x-射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、输出特性曲线、转移特性曲线等方法,分析了不同制备方法、实验工艺对器件的形貌、结构和性能等的影响。主要结果如下:  首先,采用第一性原理的密度泛函理论对本征SnO2、SnO2∶In、SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga)体系的电子结构和光学性能进行了计算。结果表明,SnO2∶(In,Ga)相比于SnO2∶In和SnO2∶Ga可以有效的降低掺杂所引起晶格畸变;能带结构中,SnO2∶In、SnO2∶Ga和SnO2∶(In,Ga)的带隙均大于本征SnO2的带隙值(1.27eV)分别为1.42eV、1.55eV和1.48eV,呈现典型的p型半导体特性;掺杂SnO2在2.43eV处出现了一个主要来自O2p态到Sn5s能级间的新的电子跃迁主介电峰;SnO2∶(In,Ga)的吸收曲线具有较大吸收峰数值和最大的能量吸收范围,且具有105cm-1的吸收系数,预示着SnO2∶0n,Ga在光电器件的吸收材料中具有巨大的潜在应用前景。  其次,采用第一性原理平面波超软赝势方法,建立了不同浓度(In,Ga)掺杂体系模型,并对其模型的电子结构和光学性能进行了计算。结果表明:三种共掺浓度的材料体系均能够有效的降低元素掺杂的晶格畸变;In0.0834Ga0.0834S1n0.8332O2和In0.1251Ga0.1251Sn0.7498O2材料价带顶(VBM)附近的杂质带宽度得到明显展宽,为价带顶提供了更多空穴载流子,更好地提高了SnO2的p型半导体特性;In、Ga原子替代Sn原子掺入SnO2材料后,In、Ga掺杂原子和O原子周围的电子云变得具有明显的定向特征,原子之间呈现出典型的共价键特性;相比于In0.0417Ga0.0417Sn0.9166O2和In0.1251Ga0.1251Sn0.7498O2,In0.0834Ga0.0834Sn0.8332O2的吸收曲线具有最大的吸收峰值和能量吸收范围,表明In0.0834Ga0.0834Sn0.8332O2在光电转换器件领域具有巨大的应用前景。  最后,采用真空电子束蒸发的方法在Si(100)衬底上成功的制备了SnO2∶(In,Ga)晶体管,并通过不同温度对样品进行退火处理。结果表明:600℃温度退火样品,晶体表面的结晶情况得到改善,出现了明显的晶粒且晶粒均匀,致密度高;所获得的SnO2∶(In,Ga)器件的开关电流比ION/IOFF高达107,阈值电压Vth=0.3V,载流子迁移率为6.57cm2V-1s-1,上述结果显示所制备的SnO2∶(In,Ga)器件具有高迁移率、高开关电流比和较小的关态电流等优良的电学特性,在OLED等显示领域表现出了广阔的应用潜力。
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