掺杂P型ZnO的第一性原理计算

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纤锌矿型的ZnO属于Ⅱ-Ⅵ族半导体材料,是直接宽带隙体系,在室温条件下,带隙宽度为3.37eV,激光束缚能为60meV,约是GaN的2.4倍。本文基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势的方法,并与广义梯度近似(GGA)的方法相结合,计算了本征 ZnO体系,ZnO(N)体系,ZnO(F)体系,ZnO(Na,N)体系,ZnO(Na,F)体系以及ZnO(Mn,N)体系的电子结构,电荷密度以及体系的形成能,研究结果如下。  本征ZnO材料是一种直接宽带隙半导体。N掺杂ZnO后形成深受主能级,费米能级附近形成空穴的局域性较强,故纯N掺杂很难得到理想的p型ZnO。F掺杂ZnO形成的局域性较强,并且费米能级穿过导带,从而引起ZnO的n型导电特征,不利于p型导电。  ZnO(Na,N)体系与 ZnO(N)体系相比,有更多的杂质态密度穿越费米能级,在费米面附近受主N2p的杂质态更宽,形成轻空穴带,提高了杂质元素的化学稳定性和固溶度。Na和N以1:2的比例掺杂时,在费米面附近受主N2p的杂质态更宽,在费米能级附近的态密度最弥散,体系中载流子数增多,并且ZnO(Na,2N)体系中的形成能最低。因此Na-2N掺杂ZnO体系对p型导电机理的解释以及实现有重要意义。  ZnO(Na,F)体系与ZnO(F)体系相比,费米能级移至价带顶,使得在费米面附近形成轻空穴带,出现p型导电的特征。Na和F共掺杂ZnO体系比F单掺杂ZnO体系具有更低缺陷形成能,因此体系的化学性能较稳定,更加适合掺杂,并且体系变得相对稳定,掺杂浓度提高。Na和F以1:2的比例掺杂时,掺杂体系中的形成能最低,原子间的作用力增强,体系的化学性能变得稳定,空穴载流子数增多,p型化特征相对明显。  ZnO(Mn,N)体系与 ZnO(N)体系相比,具有更低的受主杂质的形成能和更高的化学稳定性,更加适合p型掺杂。Mn和N以1:2的比例掺杂时,在费米能级费米面附近受主N2p的杂质态最宽,形成轻空穴带,空穴间的排斥力减弱,系统的结合性增强,提高了杂质掺杂浓度。此外,研究发现相比于ZnO体系的其他掺杂构型,Mn和N原子共掺杂ZnO体系在费米能级形成的受主N2p的杂质态最为弥散,同时空穴有效质量变小,非局域化明显,且体系的受主杂质的形成能也最低。因此,Mn-N共掺杂有望成为P型掺杂的更有效的手段。
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