本文關鍵詞： 第一性原理 p型氧化鎵晶體 本征缺陷 單金屬摻雜 金屬-非金屬共摻　出處：《山東大學》2017年碩士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：寬禁帶半導體材料由于其獨特的性質和廣泛的應用潛力已經成為當今最熱門的材料之一,其中β-Ga_2O_3晶體作為第四代寬禁帶半導體材料已經展示出了可以應用在許多領域的優(yōu)異性能,主要應用領域包括:高溫氣敏器件、深紫外光電器件和超高壓功率器件。為了能夠生長出質量較高、載流子濃度可控的n型和p型β-Ga_2O_3晶體,摻雜成為了一個重要的手段。經過多年研究,已經成功制備了n型半導體,并且可以實現載流子濃度在一定程度上的調控,然而p型半導體的制備仍是一大難題,這也在一定程度上制約著β-Ga_2O_3基半導體器件的應用范圍。經過實驗和理論工作者們不斷的研究和討論,目前來看,造成p型摻雜困難的原因主要歸結為三個方面:(1)n型背景載流子的自補償效應;(2)缺少淺能級受主;(3)受主離子易鈍化。本論文針對β-Ga_2O_3晶體有效p型摻雜的困難,采用第一性原理的方法,針對前兩個困難進行了探討,重點研究了本征缺陷對晶體導電性質的影響以及對淺能級受主雜質的探尋,在單金屬摻雜的基礎上還進一步考慮了金屬-非金屬共摻的情況,從理論上為p型摻雜β-Ga_2O_3晶體的生長提出了一些可能的實現途徑。通過形成能的計算,分別確定了不同缺陷或者摻雜情況下的最優(yōu)構型,并針對最優(yōu)結構對其電學性質進行了較為詳細的研究。通過分析含有本征缺陷體系的態(tài)密度和能帶結構得出,Gai、Gao和GaiVo表現出n型導電特性,相反VGa、GaiVGa和OiVGa則屬于p型缺陷,而n型缺陷往往在富鎵缺氧的條件下容易引入,p型缺陷則在富氧缺鎵的條件下容易引入,因此我們認為富氧條件下生長β-Ga_2O_3晶體則相對更容易得到p型半導體。針對p型淺能級受主雜質的探究中,我們通過對形成能及態(tài)密度的綜合分析得出Na、Mg、Ca、Cu、Ag、Zn和Cd均為潛在的p型雜質,這還需要后續(xù)的實驗進行進一步的研究。另外,對金屬-氮共摻的β-Ga_2O_3晶體的計算中發(fā)現,共摻后形成能相對于單摻雜時較低,并且由于電荷補償效應,其總體上均體現出p型導電的特性。因此,金屬-非金屬共摻可能是一種很好的解決晶體p型摻雜困難的有效方法。另外,我們計算了金屬摻雜β-Ga_2O_3晶體的光吸收譜,其主吸收峰雖然會發(fā)生紅移,但吸收邊位置幾乎保持不變,因此金屬摻雜對其紫外光的透過率影響不大,不會影響其在深紫外光電器件領域的應用。最后我們還討論了金屬-氮共摻的β-Ga_2O_3在光催化全解水方面應用的可能性,認為Sc-N共摻雜的晶體在該領域具有一定的應用前景。
[Abstract]:Wide band gap semiconductor materials have become one of the most popular materials due to their unique properties and wide application potential. Among them, 尾 -Ga _ 2O _ 3 crystal as a 4th generation wide band gap semiconductor material has shown excellent performance in many fields, including high-temperature gas sensing devices, Deep ultraviolet optoelectronic devices and ultra-high voltage power devices. In order to grow high quality, n-type and p-type 尾 -GaS _ 2O _ 3 crystals with controllable carrier concentration have become an important means of doping. The n-type semiconductor has been successfully prepared, and the carrier concentration can be controlled to a certain extent. However, the preparation of p-type semiconductor is still a big problem. This also restricts to some extent the scope of application of 尾 -Ga2O3-based semiconductor devices. After constant research and discussion among experimental and theoretical workers, at present, The reasons for the difficulty of p-type doping are mainly attributed to three aspects: the self-compensation effect of the 1 / 1 / n type background carrier (2) the absence of the shallow level acceptor, and (3) the easy passivation of the acceptor ions. In this paper, the difficulty of effective p-type doping in 尾 -Ga _ 2O _ 3 crystals is pointed out. In this paper, the first two difficulties are discussed by the first principle method. The effect of intrinsic defects on the conductivity of crystal and the impurity of shallow level acceptor are studied. On the basis of monometallic doping, the case of metal-nonmetallic co-doping is further considered, and some possible ways to realize the growth of p-doped 尾 -Ga _ 2O _ 2O _ 3 crystals are proposed theoretically, and the formation energy is calculated by calculating the formation energy of p-doped 尾 -Ga _ 2O _ 2O _ 3 crystals. The optimal configuration of different defects or doping is determined respectively. Based on the analysis of the density of states and the energy band structure of the system containing intrinsic defects, it is found that Gai-Gao and GaiVo exhibit n-type conductivity, whereas VGaGA-GaiVGa and OiVGa belong to p-type defects. On the other hand, n-type defects are easy to be introduced under the condition of gallium enrichment and hypoxia, while the n-type defects are easy to be introduced under the condition of rich oxygen and lack of gallium. Therefore, we think that it is easier to obtain p-type semiconductor by growing 尾 -Ga2O3 crystals under oxygen-enriched conditions. Through the comprehensive analysis of the formation energy and density of states, it is found that both Cu (Ag) Zn and CD are potential p-type impurities, which requires further study in subsequent experiments. In addition, it is found in the calculation of 尾 -Ga2O3 crystals co-doped with metal and nitrogen. The formation energy of co-doped is lower than that of single doping, and because of the charge compensation effect, all of them exhibit the characteristics of p-type conduction. Metal-nonmetallic co-doping may be an effective method to solve the problem of p-type doping. In addition, we have calculated the optical absorption spectra of metal-doped 尾 -Ga2O3 crystals. However, the position of absorption edge is almost unchanged, so metal doping has little effect on the transmittance of ultraviolet light. It will not affect its application in the field of deep ultraviolet photovoltaic devices. Finally, we also discuss the possibility of the application of metal-nitrogen co-doped 尾 -Ga2O3 in total photocatalytic decomposition of water. It is considered that Sc-N co-doped crystals have a certain application prospect in this field.
【學位授予單位】：山東大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O614.371;O73

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本文編號：1499061