本文關(guān)鍵詞： 二維半導(dǎo)體 缺陷評價方法 缺陷激子 載流子輸運 氮化硼 二硫化鉬 黑磷 石墨烯氧化物 第一性原理計算　出處：《吉林大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：二維半導(dǎo)體是指具有原子級別厚度,電子被限制在二維平面內(nèi)運動的材料。體系維度的降低帶來量子限制效應(yīng)和弱屏蔽效應(yīng),這些效應(yīng)賦予二維半導(dǎo)體許多新奇獨特的物理和化學(xué)性質(zhì),使其在諸多領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景。尤其是在高性能微電子器件方面,二維半導(dǎo)體具有天然優(yōu)勢,可顯著提升器件集成度并降低功耗,因此被認(rèn)為是硅材料的“接班人”,摩爾定律的“續(xù)寫者”。通過調(diào)控缺陷實現(xiàn)可靠穩(wěn)定的N型和P型導(dǎo)電特性是促進(jìn)基于二維半導(dǎo)體的電子器件工業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵。然而目前,二維半導(dǎo)體的摻雜特性,由缺陷提供的載流子的傳輸特性等缺陷物理圖像的理論研究尚處于初步探索階段。更為嚴(yán)峻的是,傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體帶電缺陷評價方法對二維半導(dǎo)體缺陷體系失效,這無疑給精準(zhǔn)評估二維半導(dǎo)體中缺陷的性能帶來了困難。本論文解決了二維半導(dǎo)體中帶電缺陷評價困難,建立了可靠有效的評價方法,并借助此評價方法探索了二維半導(dǎo)體中的缺陷行為及物性規(guī)律,具體研究結(jié)果如下:1.二維半導(dǎo)體中帶電缺陷的評價方法。傳統(tǒng)的缺陷計算方法在周期性邊界條件下對帶電缺陷采用Jellium近似,這種計算機制已經(jīng)廣泛應(yīng)用于三維半導(dǎo)體缺陷計算并且取得了一系列可靠的結(jié)果。但是將此方法直接應(yīng)用于二維半導(dǎo)體體系帶來的結(jié)果是帶電體系能量隨真空尺寸發(fā)散,即不同的真空尺寸給出不同的結(jié)果,這無疑是非物理的。經(jīng)研究,發(fā)散來源于二維體系中的帶電缺陷和Jellium補償電荷之間的強庫侖作用。通過推導(dǎo)我們給出了庫侖發(fā)散的漸近表達(dá)式,表明在Jellium電荷密度接近零極限時可得到收斂能量。將此表達(dá)式與第一性原理計算相結(jié)合可用來計算所有單層材料的帶電缺陷能量,進(jìn)而評估缺陷性能。此方法奠定了在Jellium近似框架下,利用第一性原理計算二維半導(dǎo)體材料帶電缺陷性能的基礎(chǔ)。2.二維半導(dǎo)體中帶電缺陷評價方法的普適化拓展。上一部分工作給出了單層材料帶電缺陷的計算方法,在電子器件應(yīng)用中,少層、多層材料以及二維半導(dǎo)體材料和襯底組成的復(fù)合體系更為普遍。因此如何評估具有一定厚度的二維半導(dǎo)體體系中帶電缺陷的性能成了新的難題。較直觀的做法是建立具有超大真空尺寸的晶胞,使材料厚度相對于真空尺寸來說足夠薄,然后采用上述的單層材料計算方法。但這種做法無疑需要強大的計算資源,在實際應(yīng)用中存在困難。基于此,我們將上述方法推廣到了更加普適的形式,可用于具有任意厚度、平面幾何結(jié)構(gòu)的二維半導(dǎo)體體系和準(zhǔn)二維體系(如襯底、表面和界面體系)中帶電缺陷性能的評價。以少層黑磷中施主缺陷碲替磷和受主缺陷磷空位為例,計算其在單層到三層體系中的離化能,結(jié)果表明不斷增強的介電屏蔽導(dǎo)致缺陷離化能隨層數(shù)增加而下降。此方法奠定了為二維電子器件設(shè)計具有“定制”性能的材料的理論基礎(chǔ)。3.二維半導(dǎo)體中的缺陷激子及其對載流子傳輸?shù)挠绊憽＠枚S半導(dǎo)體體系帶電缺陷評價方法計算單層二硫化鉬中本征缺陷和替位摻雜的離化能,結(jié)果表明缺陷離化能都很大,即使是最淺的施主缺陷錸替鉬和受主缺陷鈮替鉬,其離化能也高達(dá)0.45 e V和0.55 e V,這意味著二硫化鉬不可能通過錸摻雜和鈮摻雜而實現(xiàn)有效的N型和P型電導(dǎo)。這一結(jié)果與實驗所觀測到的基于錸摻雜和鈮摻雜的二硫化鉬的N型和P型導(dǎo)電特性相矛盾。針對理論研究與實驗觀測存在的矛盾,我們探索了缺陷激子圖像及其對載流子傳輸?shù)挠绊�。由于二維半導(dǎo)體體系屏蔽效應(yīng)弱,載流子離化到帶邊后仍受到帶電缺陷的強庫侖束縛作用,兩者組成“帶電缺陷-載流子”類激子,載流子需克服這種類激子束縛能才能成為自由載流子。這意味著缺陷離化能里面包含較大的缺陷激子束縛能。錸替鉬和鈮替鉬的激子束縛能分別為0.45 e V和0.39 e V。盡管離化能和激子束縛能很大,但處于受束縛帶邊的載流子的波函數(shù)在實空間交疊,可實現(xiàn)載流子傳輸。而且,外界存在的高介電環(huán)境可增強屏蔽效應(yīng)從而加強載流子傳輸。以上結(jié)果有助于促進(jìn)對二維電子器件中通過缺陷工程實現(xiàn)的載流子提供和傳輸圖像的理解。4.氮、硼摻雜石墨烯氧化物N型、P型導(dǎo)電特性研究。石墨烯氧化物具有天然帶隙,且制備成本低廉,有望作為半導(dǎo)體材料應(yīng)用到未來電子工業(yè)中。為探索通過摻雜實現(xiàn)石墨烯氧化物的N型和P型導(dǎo)電特性,我們采用受限激發(fā)法系統(tǒng)地研究了雜質(zhì)氮和雜質(zhì)硼在其中的缺陷性能和行為。石墨烯氧化物中的sp3區(qū)由廣泛接受的羥基鏈和環(huán)氧鏈組成,整體氧覆蓋率為50%,帶隙為1.80 e V。硼傾向于取代sp3雜化的碳原子,作為受主;氮傾向于取代sp3和sp2區(qū)域交界處的sp2雜化的碳原子,作為施主。硼替碳的受主離化能在0.24~0.42 e V范圍內(nèi),氮替碳的施主離化能在0.32~0.67 e V范圍內(nèi)。然而,氮替碳的一個特例是作為有效受主,離化能僅為0.12 e V,這種反常現(xiàn)象歸因于環(huán)氧基團的氧原子與雜質(zhì)氮原子合作完成的“Lift-off”機制。這些研究為石墨烯氧化物在未來電子器件方面的應(yīng)用,提供了摻雜缺陷行為的微觀圖像。綜上所述,針對傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體中帶電缺陷計算方法對二維半導(dǎo)體中帶電缺陷失效的問題,我們首先提出了單層半導(dǎo)體中缺陷性能的評價方法,在此基礎(chǔ)上將其進(jìn)一步拓展到了適用于具有任意厚度的二維半導(dǎo)體(少層半導(dǎo)體)和準(zhǔn)二維體系(如二維半導(dǎo)體和襯底的復(fù)合體系)中缺陷性能的評價。將此方法應(yīng)用到典型二維半導(dǎo)體中缺陷離化能的計算,結(jié)果表明二維半導(dǎo)體中缺陷離化能都很大,其根源在于弱屏蔽效應(yīng)。同時,弱屏蔽效應(yīng)導(dǎo)致缺陷激子和缺陷激子束縛態(tài),進(jìn)而導(dǎo)致不同于傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體的載流子輸運圖像。本文工作有助于推進(jìn)二維半導(dǎo)體缺陷物理的發(fā)展,為二維電子器件的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供了理論支持。
[Abstract]:The two - dimensional semiconductor refers to a material having atomic level thickness and electrons confined in a two - dimensional plane . The reduction of the system dimension brings about quantum confinement effect and weak shielding effect , which give many novel and unique physical and chemical properties of the two - dimensional semiconductor , so that it has a very important application prospect in many fields . Especially in high - performance microelectronic device , the two - dimensional semiconductor has the natural advantages , can obviously improve the integration degree of the device and reduce the power consumption , thus being regarded as the successor of the silicon material . This paper presents a new method for evaluating the charged defects in a two - dimensional semiconductor . In order to study the N - type and P - type conductivity characteristics of graphene oxide , this method has been used in the future electronic industry . In order to study the N - type and P - type conductivity characteristics of graphene oxide by doping , this method can be used as acceptor .

【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN304

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本文編號：1483835