【摘要】：氮化鋁(Al N)晶體作為第三代半導(dǎo)體材料的典型代表,是發(fā)展新型光電器件的理想材料。由于大尺寸、高質(zhì)量的Al N體單晶材料難以制備,人們對Al N晶體性質(zhì)的研究(特別是摻雜對其特性影響的研究)相對缺乏,阻礙了Al N基新型器件的發(fā)展。本文的主要工作分為兩大部分:(a)進行了Al N晶體的生長實驗研究,并給出材料的相應(yīng)表征數(shù)據(jù);(b)結(jié)合Al N的實驗參數(shù),從理論上重點描述了Al N晶體的摻雜特性。摻雜的理論研究作為本論文的重點內(nèi)容,主要包括:采用基于密度泛函理論的全勢線性綴加平面波法,對I族、II族、IV族以及過渡金屬元素摻雜纖鋅礦Al N晶體進行了系統(tǒng)的第一性原理計算,從晶格結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)、磁性和光學(xué)性質(zhì)等方面對摻雜給晶體性質(zhì)帶來的影響進行了討論,補充及完善了關(guān)于Al N摻雜的相關(guān)理論研究。本文著眼于分析不同摻雜元素和摻雜方法對Al N晶體的各種性質(zhì)的變化情況,探尋它們之間的存在的規(guī)律和機理,并重點研究了I族摻雜元素的不同摻雜方法對Al N晶體的p型導(dǎo)電性、磁性和光學(xué)各向異性的影響。本文主要內(nèi)容分六章描述,其結(jié)構(gòu)如下:第一章介紹了Al N晶體的制備、性質(zhì)及摻雜研究現(xiàn)狀,并概述本論文工作的基本內(nèi)容;第二章詳細地說明了第一性原理計算的相關(guān)理論背景及依據(jù);第三章研究纖鋅礦Al N晶體的實驗制備和參數(shù)表征,對在無雜質(zhì)和空位、氧雜質(zhì)等缺陷存在情況下的晶體結(jié)構(gòu)進行了電子態(tài)密度分析;第四章,首先研究了IA組元素(Li、Na、K)單摻雜和共摻雜Al N的p型、稀磁和光學(xué)性質(zhì)等,并對比研究了Li、Na、K摻雜另一種III-V族化合物(Al P晶體)的相應(yīng)性質(zhì),然后探討了采用不同堿金屬元素的替位摻雜引入磁性的機理,分析了摻雜后帶來的晶體光學(xué)各向異性的改變,此外,Ag、Cu作為IB族重要的非磁性元素,我們研究了其對Al N稀磁特性的影響;第五章研究了C-Si共摻雜Al N晶體的各種性質(zhì)并對比分析了其他IV族元素共摻雜Al N晶體的電子結(jié)構(gòu),同時,對II族(Mg、Zn、Ca、Sr、Ba)元素的單摻雜對Al N電子態(tài)密度的影響做了討論,此外,為了同I族元素摻雜Al N的自旋電子態(tài)密度進行對比,還描述了不同過渡金屬元素(Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni)單摻雜Al N時自旋電子態(tài)密度的變化趨勢;第六章對整個論文的研究工作進行了總結(jié),并對后續(xù)工作進行了展望。本文取得的主要成果如下:(1)采用物理氣相傳輸法,利用自發(fā)成核原理制備出了最大尺寸為英寸級(直徑2.2厘米左右)的Al N體單晶,為Al N基新型光電器件的研究打下了基礎(chǔ)。(2)提出了IA族堿金屬(Li、Na、K)和F共摻纖鋅礦Al N晶體的摻雜方式,并結(jié)合IA族堿金屬單摻雜以及與O共摻雜的方法,通過第一性原理計算對摻雜后晶體的結(jié)構(gòu)、電子、能帶、鐵磁以及光學(xué)性質(zhì)進行綜合分析研究。研究發(fā)現(xiàn),Li-O共摻雜無論在富Al還是富N條件下都具有很低的雜質(zhì)形成能,并能在價帶上方減弱雜質(zhì)能級的局域化程度,非常有利于Al N的p型摻雜。在除了Li-F和Na-F共摻雜情況外的其他摻雜晶體中都引入了稀磁特性,而O和F原子在摻入晶體后仍保持了其本身的非磁性態(tài);同時發(fā)現(xiàn),在Li-F共摻雜Al N中的自旋極化能是零,因而可以用其來調(diào)節(jié)Al N晶體的帶隙寬度而不改變Al N晶體本身的非磁性狀態(tài)。此外,共摻雜還顯著地降低了Al N晶體光學(xué)性質(zhì)的各向異性,有利于Al N晶體在均勻發(fā)光領(lǐng)域的應(yīng)用。(3)研究了IA族元素(Li、Na、K)單摻雜Al P系統(tǒng)的鐵磁性質(zhì)并通過電荷轉(zhuǎn)移機制對磁性來源進行了理論分析。通過第一性原理計算發(fā)現(xiàn),在3.125%的摻雜濃度下,Li雜質(zhì)引入的磁矩幾乎為零,而Na、K摻雜的Al P晶體也不能在室溫下引入穩(wěn)定的磁性;但是隨著摻雜濃度的降低,可以使得雜質(zhì)能級的局域化加強,減小自旋極化能,Li摻雜的Al P就有可能獲得穩(wěn)定的鐵磁基態(tài)。(4)通過第一性原理研究了Ag摻雜Al N的p型特性和鐵磁性質(zhì),并和Cu摻雜時的情況進行了對比。研究發(fā)現(xiàn),Ag摻雜Al N的晶格形變較小,在保持了直接帶隙特征的同時成功實現(xiàn)了晶體的p型摻雜。Ag摻雜Al N的電子態(tài)密度中的自旋非對稱性來源于Ag-d態(tài)和N-2p態(tài)的電子雜化。摻雜后晶體的鐵磁性受摻雜濃度的影響;在6.25%摻雜濃度下,Ag摻雜的Al N晶體可以實現(xiàn)穩(wěn)定的鐵磁基態(tài);而當濃度上升至12.5%時,鐵磁基態(tài)將消失。
【學(xué)位授予單位】：深圳大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN304.2

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 武紅磊;鄭瑞生;李萌萌;閆征;;升華法制備m面非極性AlN單晶體的研究[J];人工晶體學(xué)報;2012年06期

2 袁娣;黃多輝;羅華鋒;;Be，O共摻雜實現(xiàn)p型AlN的第一性原理研究[J];物理學(xué)報;2012年14期

本文編號：2738526