本文關(guān)鍵詞：寬禁帶半導(dǎo)體光電功能材料的理論研究

  更多相關(guān)文章： 寬禁帶半導(dǎo)體 氧化鋅 石墨 碳化硅 硒化鋅 晶格動(dòng)力學(xué)

【摘要】：近些年來,以Ga N、Zn O、Si C、Zn Se以及金剛石等為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料成為繼以單質(zhì)Si和Ga As為代表的第一代、第二代半導(dǎo)體材料之后迅速發(fā)展起來的第三代新型半導(dǎo)體材料。Zn O作為帶隙寬度高達(dá)3.37e V、激子束縛能高達(dá)60 me V的寬禁帶半導(dǎo)體,紫外激子發(fā)光有望在室溫甚至更高溫度下實(shí)現(xiàn)。然而,由于缺乏高效發(fā)光的pn結(jié),高效的Zn O電泵激光遲遲沒有實(shí)現(xiàn)。這是由于Zn O雖然容易實(shí)現(xiàn)n-型摻雜但是其p-型摻雜較難,多年來,重復(fù)獲得高質(zhì)量的p型氧化鋅依然是有效獲得Zn O基光電器件必須要解決的一個(gè)技術(shù)難題;另外,如何改善Zn O基光電器件的發(fā)光效率也一直被廣泛關(guān)注。本文針對(duì)這兩個(gè)問題進(jìn)行了研究,取得的結(jié)果如下:(1)提出了氮摻雜氧化鋅的優(yōu)化p型新策略,這一策略能夠有效抑制施主的補(bǔ)償作用。我們通過分析氮在氧化鋅表面的反應(yīng)路徑,證明了復(fù)合缺陷NZn-VO和NO-VZn是獲得氮摻雜氧化p型導(dǎo)電性的關(guān)鍵因素。在鋅極性面的生長(zhǎng)過程中的亞穩(wěn)態(tài)雙施主復(fù)合缺陷NZn-VO不會(huì)引起同為施主的本征缺陷的補(bǔ)償作用,起到抑制施主補(bǔ)償?shù)淖饔�。而亞穩(wěn)態(tài)雙施主復(fù)合缺陷NZn-VO之后經(jīng)觸發(fā)可以越過勢(shì)壘激活為穩(wěn)定的雙受主復(fù)合缺陷NO-VZn�；旌戏汉�(jì)算結(jié)果證明復(fù)合缺陷NO-VZn的最淺的受主能級(jí)位置位于價(jià)帶頂之上0.23 e V處,相應(yīng)的缺陷轉(zhuǎn)變能級(jí)是0.16 e V,這一理論結(jié)果為實(shí)驗(yàn)上獲得穩(wěn)定可靠地p型氧化鋅提供了新的可能的路徑。(2)我們的研究小組除了致力于通過N摻雜制備出高效的p型Zn O,還一直在探索增強(qiáng)Zn O發(fā)光效率的新思路,其中包括通過石墨烯表面等離子體來增強(qiáng)Zn O發(fā)光的策略。截止到目前為止,通過石墨烯提高Zn O基器件的發(fā)光效率已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室取得一些令人振奮的結(jié)果,如將單層石墨烯薄膜直接放在Zn O薄膜上可以明顯觀察到Zn O的光致發(fā)光強(qiáng)度較沒有石墨烯的情況下增強(qiáng)了3.2倍。我們的小組也做了一些相應(yīng)的理論研究并取得了較好的結(jié)果。我們注意到,在石墨烯增強(qiáng)氧化鋅材料的發(fā)光應(yīng)用中,除了要制備出高質(zhì)量的Zn O,如何制備出高質(zhì)量的、平整的單層石墨烯的制備也至關(guān)重要。在石墨烯的眾多生長(zhǎng)方法中,其直接在寬禁帶半導(dǎo)體Si C襯底上的外延生長(zhǎng)引起了我們的注意。Si C作為一種寬禁帶材料,除了其因飽和漂移速度、熱導(dǎo)率特別適合制作高壓、高溫、大功率電子器件以外,較高的臨界擊穿電場(chǎng)以及較低的漏電流也保證了它是一種好的介質(zhì)材料,可以作為電子器件的襯底。石墨烯可以直接在Si C表面外延生長(zhǎng),并且不需要將石墨烯重新轉(zhuǎn)移到別的襯底上。因此如何在Si C表面獲得高質(zhì)量的石墨烯一直被廣泛研究,其中如何降低石墨烯在Si C表面外延生長(zhǎng)的生長(zhǎng)溫度是一個(gè)US待解決的問題。本文針對(duì)這個(gè)問題進(jìn)行了研究,取得的結(jié)果如下:對(duì)于在Si C(0001)表面石墨烯的外延生長(zhǎng),我們第一次提出空位輔助的Si-C鍵反轉(zhuǎn)模型(Si-C flip model)。我們證明在石墨烯的生長(zhǎng)過程中有幾個(gè)關(guān)鍵階段,也就是表面Si空位的形成、Si-C flip過程、表面Si原子蒸發(fā)過程、C原子積聚過程、表面分層以及石墨烯層的旋轉(zhuǎn)過程等,在這幾個(gè)關(guān)鍵階段所需要的能量是不同的,我們提出可以通過在不同階段控制能量束的方法來降低整個(gè)生長(zhǎng)過程中的生長(zhǎng)溫度,并且通過嚴(yán)格控制能量束的空間分布和持續(xù)時(shí)間,我們有望在Si C沉底上得到高質(zhì)量的并且尺寸和模式可控的石墨烯。(3)作為另外一種Ⅱ-Ⅵ族寬禁帶半導(dǎo)體材料,Zn Se具有與Zn O類似的結(jié)構(gòu)特性,既有纖鋅礦結(jié)構(gòu)又有閃鋅礦結(jié)構(gòu),且對(duì)其摻雜研究最多的也是N摻雜。在室溫下Zn Se以閃鋅礦結(jié)構(gòu)穩(wěn)定存在,但是從晶體學(xué)觀點(diǎn)出發(fā),閃鋅礦結(jié)構(gòu)具有高對(duì)稱性,因此此滑移面較多,容易產(chǎn)生滑移位錯(cuò),從而使得Zn Se基發(fā)光器件的發(fā)光壽命受到限制。而纖鋅礦結(jié)構(gòu)對(duì)稱性較低,只有一個(gè)滑移面,因此纖鋅礦結(jié)構(gòu)的Zn Se外延層的滑移位錯(cuò)擴(kuò)散會(huì)被抑制,這樣可以有效提高發(fā)光器件的發(fā)光壽命。因此如何獲得穩(wěn)定的WZ結(jié)構(gòu)的Zn Se一直被廣泛研究,根據(jù)這個(gè)問題,我們研究了Zn Se的晶格動(dòng)力學(xué),獲得的結(jié)果如下:通過密度泛函微擾理論進(jìn)行晶格動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn),我們發(fā)現(xiàn)G點(diǎn)的聲子振動(dòng)模式可以作為區(qū)分閃鋅礦結(jié)構(gòu)Zn Se(zb-Zn Se)和纖鋅礦結(jié)構(gòu)Zn Se(wz-Zn Se)的關(guān)鍵證明。聲子頻率對(duì)zb-Zn Se的晶格應(yīng)變有線性依賴關(guān)系,然而,在wz-Zn Se中,聲子頻率隨應(yīng)變的變化更加復(fù)雜。我們還發(fā)現(xiàn)氮原子的引入可以導(dǎo)致zb-Zn Se向wz-Zn Se轉(zhuǎn)變。在zb-Zn Se和wz-Zn Se結(jié)構(gòu)中引入N可以在500 cm-1以上引入三個(gè)頻率較高的晶格振動(dòng)模式,并且這三個(gè)振動(dòng)模式在wz結(jié)構(gòu)中的劈裂比在zb結(jié)構(gòu)中更大。
【關(guān)鍵詞】：寬禁帶半導(dǎo)體 氧化鋅 石墨 碳化硅 硒化鋅 晶格動(dòng)力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN304
【目錄】：

• 摘要4-7
• Abstract7-12
• 第1章 緒論12-16
• 1.1 寬禁帶半導(dǎo)體的基本屬性和研究進(jìn)展12-14
• 1.2 本論文的選題依據(jù)和研究?jī)?nèi)容14-16
• 1.2.1 選題依據(jù)14
• 1.2.2 研究?jī)?nèi)容14-16
• 第2章 理論基礎(chǔ)16-32
• 2.1 引言16
• 2.2 密度泛函理論基礎(chǔ)16-19
• 2.2.1 絕熱近似17-18
• 2.2.2 Hartree-Fock近似18-19
• 2.3 密度泛函理論19-23
• 2.3.1 Hohenberg-Kohn定理20-21
• 2.3.2 Kohn-Sham方程21-23
• 2.4 交換關(guān)聯(lián)泛函23-27
• 2.4.1 局域密度近似24-25
• 2.4.2 廣義梯度近似25
• 2.4.3 DFT+U25-26
• 2.4.4 雜化密度泛函26-27
• 2.5 布洛赫定理和贗勢(shì)平面波方法27-31
• 2.5.1 布洛赫定理27-28
• 2.5.2 贗勢(shì)平面波方法28-31
• 2.6 VASP軟件包簡(jiǎn)介31-32
• 第3章 p型ZnO摻雜機(jī)理的研究32-50
• 3.1 引言32
• 3.2 缺陷計(jì)算理論32-40
• 3.2.1 半導(dǎo)體摻雜中的幾個(gè)基本概念33-34
• 3.2.2 半導(dǎo)體材料摻雜的計(jì)算方法34-40
• 3.3 N摻雜ZnO的p型導(dǎo)電性的來源40-49
• 3.4 本章小結(jié)49-50
• 第4章 SiC表面石墨烯生長(zhǎng)機(jī)制研究50-81
• 4.1 思路:利用石墨烯增強(qiáng)ZnO的發(fā)光效率50-51
• 4.2 石墨烯的結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)及其制備方法51-59
• 4.2.1 石墨烯的結(jié)構(gòu)與基本性質(zhì)51-54
• 4.2.2 石墨烯的制備方法54-59
• 4.3 SiC表面石墨烯外延生長(zhǎng)機(jī)制59-79
• 4.3.1 碳化硅的晶體結(jié)構(gòu)59-61
• 4.3.2 碳化硅表面石墨烯外延生長(zhǎng)的研究進(jìn)展61-68
• 4.3.3 碳化硅表面石墨烯的外延生長(zhǎng)機(jī)制68-79
• 4.4 本章小結(jié)79-81
• 第5章 ZnSe的晶格動(dòng)力學(xué)研究81-94
• 5.1 引言81-85
• 5.2 計(jì)算方法85
• 5.3 計(jì)算結(jié)果與討論85-92
• 5.3.1 ZB-ZnSe與WZ-ZnSe晶格的聲子色散曲線85-88
• 5.3.2 N摻雜ZB-ZnSe以及WZ-ZnSe晶格的聲子色散曲線88-90
• 5.3.3 應(yīng)變對(duì)光學(xué)聲子頻率的影響90-92
• 5.4 本章小結(jié)92-94
• 第6章 結(jié)論與展望94-96
• 6.1 結(jié)論94-95
• 6.2 展望95-96
• 參考文獻(xiàn)96-112
• 在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況112-113
• 指導(dǎo)教師及作者簡(jiǎn)介113-114
• 致謝114

【相似文獻(xiàn)】

中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前10條

1 云振新;;寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的研究與開發(fā)在歐美快速展開[J];電子與封裝;2006年07期

2 顏秀文;武祥;;寬禁帶半導(dǎo)體關(guān)鍵設(shè)備技術(shù)及發(fā)展[J];電子工業(yè)專用設(shè)備;2013年05期

3 ;Ⅱ一Ⅳ族寬禁帶半導(dǎo)體光激發(fā)的藍(lán)色發(fā)光已獲成功[J];真空科學(xué)與技術(shù);1994年05期

4 李耐和;;寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)最新進(jìn)展[J];電子產(chǎn)品世界;2007年01期

5 李春;陳剛;李宇柱;周建軍;李肖;;B~+注入隔離在寬禁帶半導(dǎo)體中的應(yīng)用[J];固體電子學(xué)研究與進(jìn)展;2011年03期

6 汪邦金;朱華順;關(guān)宏山;;寬禁帶半導(dǎo)體器件環(huán)境適應(yīng)性驗(yàn)證技術(shù)[J];雷達(dá)科學(xué)與技術(shù);2011年05期

7 畢克允;李松法;;寬禁帶半導(dǎo)體器件的發(fā)展[J];中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào);2006年01期

8 陳治明;;寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件研發(fā)新進(jìn)展[J];電力電子技術(shù);2009年11期

9 田敬民;寬禁帶半導(dǎo)體金剛石材料與功率器件[J];半導(dǎo)體雜志;1995年03期

10 張波;鄧小川;張有潤(rùn);李肇基;;寬禁帶半導(dǎo)體SiC功率器件發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J];中國(guó)電子科學(xué)研究院學(xué)報(bào);2009年02期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前2條

1 高勇;;寬禁帶半導(dǎo)體電力電子器件前景展望[A];2010’全國(guó)半導(dǎo)體器件技術(shù)研討會(huì)論文集[C];2010年

2 彭同華;劉春俊;王波;王錫銘;郭鈺;趙寧;婁艷芳;鮑慧強(qiáng);李龍遠(yuǎn);王文軍;王剛;郭麗偉;陳小龍;;寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅單晶產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展[A];第十六屆全國(guó)晶體生長(zhǎng)與材料學(xué)術(shù)會(huì)議論文集-11藍(lán)寶石及襯底材料[C];2012年

中國(guó)重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前1條

1 本報(bào)記者 秦黎霞;推動(dòng)亞太地區(qū)寬禁帶半導(dǎo)體研究[N];張家界日?qǐng)?bào);2009年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前4條

1 郭猛;寬禁帶半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)研究[D];山東大學(xué);2012年

2 王丹丹;寬禁帶半導(dǎo)體光電功能材料的理論研究[D];中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所);2015年

3 鄒崇文;NSRL表面物理站的調(diào)試及寬禁帶半導(dǎo)體的SRPES研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2006年

4 郭俊福;寬禁帶半導(dǎo)體器件的研制及其測(cè)量技術(shù)[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2008年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù) 前3條

1 張翼;基于寬禁帶半導(dǎo)體4H-SiC的功率IGBT模型及特性研究[D];贛南師范學(xué)院;2012年

2 羅來強(qiáng);寬禁帶半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)制備及其場(chǎng)發(fā)射應(yīng)用研究[D];華東師范大學(xué);2005年

3 方偉;SPT薄穿通IGBT的設(shè)計(jì)[D];電子科技大學(xué);2011年

，

本文編號(hào)：1108103