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《ZnO电子结构和p型传导特性的第一性原理研究～～》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第56卷第9期2007年9月物理学报Vol.56,No.9,September,2007100023290P2007P56(09)P5371205ACTAPHYSICASINICAn2007Chin.Phys.Soc.ZnO电子结构和p型传导特性的3第一性原理研究•张金奎邓胜华金慧刘悦林(北京航空航天大学物理系,北京100083)(2006年12月19日收到;2007年2月3日收到修改稿)基于密度泛函理论(DFT)框架下的第一性原理平面波超软赝势方法(USPP),对不同掺杂情况的ZnO晶体几何结构分别进行了优化计算,从理论上给出
2、了ZnO的晶胞参数,得到了ZnO的总体态密度(TDOS)和氮原子2p态的分波态密度(PDOS).计算结果表明:原胞体积随着掺杂比例的提高而逐渐减小;将氮铝按照2∶1的原子比例共掺可以使氮的掺杂浓度比只掺杂氮时明显提高,且随着铝在锌靶中掺入比例的增加,载流子迁移率提高,浓度增大,使得p型ZnO电导率提高,传导特性增强.关键词:共掺,p型传导,态密度,第一性原理PACC:7115H,7115M由于其固溶度同样很低,实际上也很难获得p型11引言ZnO半导体.理论计算预测,通过施主(B,Al,Ga等)、受主(N,P,As等)共掺杂技术,
3、施主的引入可有ZnO是一种具有纤锌矿结构的宽禁带半导体材效地改变受主的固溶度,因而可以较容易地实现[8]料,室温下禁带宽度为3137eV,激子结合能达ZnO的p型转变.此外,相对而言,Al具有比Ga,In[1—6]60meV,具有良好的光电性能,因而是一种理想等掺杂剂价格低廉、绿色环保等诸多优势,因此通过的短波长发光器件材料,在半导体技术诸多领域有氮铝共掺实现p型转变,对于ZnO材料的应用将更着广阔的应用前景.在ZnO光电性能应用的研究具实际意义.中,制备结型器件是ZnO薄膜实用化的关键,p2n结关于共掺p型ZnO的性质迄今尚未
4、十分清楚,的研究成为该领域中的重要内容.因此,为了大规模因此从理论上对其进行深入研究十分必要,且具有地发展和利用ZnO,获得低电阻的p型ZnO薄膜是重要的意义.本文采用第一性原理USPP方法,在必不可少的.DFT的局域密度近似(LDA)下,对不同掺杂情况的天然ZnO通常会产生氧空位和锌间隙原子,这ZnO电子结构进行了计算和分析,得到了有意义的些本征缺陷使ZnO呈n型导电性.而且通过掺杂结果.[7]ⅢA族元素,如用Al,Ga,In替代Zn原子,或者通[8]21理论模型和计算方法过掺杂VIIA族元素,如用F取代O原子,都可以得到高质
5、量、高电导率的ZnO薄膜.但是由于ZnO2111理论模型中的氧空位和锌间隙原子这些本征施主缺陷会对受主产生高度自补偿作用,而且ZnO受主能级一般很理想ZnO是六方纤锌矿结构,所属空间群为深(氮除外),空穴不容易热激发进入价带,受主掺杂P63mc,对称性为C6v24,晶格常数实验值a=b=的固溶度很低,因此难以实现p型转变.尽管氮被认01325nm,c=01521nm,α=β=90°,γ=120°.其中为是实现p型ZnO半导体的最理想的掺杂剂,但是cPa为11602,比理想的六角柱紧堆积结构的116333国家自然科学基金(批准号:
6、50201002)资助的课题.•通讯作者.E2mail:shdeng@buaa.edu.cn5372物理学报56卷稍小.在c轴方向,Zn—O键为011992nm,在其他方方法.[7]向为011973nm,其晶胞由氧的六角密堆积和锌的计算中平面波截断能量Ecut=515eV,采用4×4六角密堆积反向套构而成,其原胞构造如图1所示.×4的原点在Γ点的Monkhorst2Pack型自动生成网格.产生的网格是以倒格矢为单位的,特殊K点对全Brillouin求和,计算都在倒易空间中进行.总能计-6算中允许的误差取为10eV.图1ZnO原胞
7、2121计算方法共掺理论研究认为:将氮与铝按照2∶1的原子比例掺入ZnO薄膜,其中一个氮原子位于铝的最近邻位置,与铝形成N—Al原子对,另一个氮原子位于铝的次近邻位置,此时系统能量最低,结构最稳图2氧化锌超晶胞[8,9]定.因此,在计算氮铝共掺时我们采用这种掺杂方法,其中2×2×2的ZnO超晶胞结构如图2[8]31计算结果与讨论所示.[10,11]本文的计算工作是利用VASP软件完成的.3111电子结构分析VASP是采用有限温度下的LDA(用自由能作为变量),并对每一分子动力学(MD)步骤用有效矩阵对为了研究掺杂对ZnO晶体结构
8、的影响,本文计角方案和有效Pulay混合求解瞬时电子基态.这些算了在几种不同掺杂情况下优化晶体结构以后得到技术可以避免原始的Car2Parrinello方法存在的一切的ZnO晶格常数、原胞体积、键长、氮氮间距、形成问题,而后者是基于电子、离子运动方程同时积分的能
