B-N共掺杂改善p型ZnO的理论分析

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法对B缺陷在ZnO中的存在形式进行了理论分析,对B-N共掺杂ZnO体系的晶格结构、杂质形成能、杂质态密度及电子结构进行了系统的研究.研究表明,B缺陷在掺杂体系中主要以BZn的形式存在,这种结构会引起相应的晶格收缩;研究发现与以往的N掺杂相比,共掺结构具有更低的杂质形成能和更高的化学稳定性,因此更加适合掺杂.此外,共掺能够形成更低的受主能级,因而减小了受主的杂质电离能,提高了受主态密度;研究显示共掺结构下的杂质N原子与体相Zn原子之间的键合能力提高,受主原子得电子的能力增强,因此B-N共掺有望成为一种更为有效的p型掺杂手段.     

非故意掺杂碳对ZnMnO:N磁性影响的实验与理论研究

利用金属有机源化学气相沉积技术, 通过改变受主掺杂源和导入氢气并提高生长压力来逐步抑制C的办法, 在蓝宝石上外延了Mn, N共掺ZnO薄膜. X射线衍射显示所有样品都具有良好的单轴取向. ZnMnO:N样品的Raman光谱中C元素相关的振动模明显消失. 同时van der Pauw法Hall效应测量表明, 通过逐步对C的抑制, 样品由n型导电转变成p型导电, 这主要是由于C与N形成复合体取代O位(CN)O, 具有最低形成能且充当浅施主. 对N, Mn共掺ZnO晶体的第一性原理模拟计算显示了N, Mn共掺ZnO的态密度在Fermi能级处存在较强的自旋极化, 表明N 2p电子与Mn 3d电子之间存在较强的p-d相互作用, 形成磁性束缚激子产生磁矩. 一旦引入C后, C, N形成复合体取代O位, 导致体系磁性减弱或者消失. 模拟计算结果与实验表征分析结果一致表明: 对于Mn, N共掺ZnO薄膜样品, 引入C与N形成复合体取代O位, Mn, N共掺ZnO薄膜磁性减弱或消失. 因此, Mn 3d电子与N 2p局域束缚的电子形成的磁性束缚激子决定了Mn, N共掺ZnO薄膜室温铁磁信号的产生.     

Ag-N共掺p型ZnO的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法对Ag-N共掺杂ZnO体 系以及间隙N和间隙H掺杂p型ZnO: (Ag, N)体系的缺陷形成能和离化能进行了研究. 结果表明, 在Ag_Zn和N_O所形成的众多受主复合体中, Ag_Zn-N_O受主对不仅具有较低的缺陷形成能同时其离化能也相对较小, 因此, Ag_Zn-N_O受主对的形成是Ag-N共掺ZnO体系实现p型导电的主要原因. 研究发现, 当ZnO: (Ag, N)体系有额外间隙N原子存在时, Ag_Zn-N_O受主对容易与N_i形成Ag_Zn-(N₂)_{m O}施主型缺陷, 该施主缺陷的形成降低了Ag-N共掺ZnO的掺杂效率因而不利于p型导电. 当间隙H引入到ZnO: (Ag, N)体系时, H_i易与Ag_Zn-N_O受主对形成 受主-施主-受主复合结构(Ag_Zn-H_i-N_O), 此复合体的形成不仅提高了Ag_Zn-N_O受主对在ZnO中的固溶度, 同时还能使其受主能级变得更浅而有利于p型导电. 因此, H辅助Ag-N共掺ZnO可能是一种有效的p型掺杂手段. 关键词： p型ZnO 缺陷形成能 受主离化能 第一性原理     

射频辅助N掺杂ZnO薄膜的生长及其光电特性

在MOCVD设备中采用改进的射频辅助生长装置,通过裂解N2及N-Al共掺杂的方法进行ZnO的p型掺杂研究。通过二次离子质谱(SIMS)、X射线衍射(XRD)、原子力显微镜(AFM)、光致发光(PL)谱等方法分析了薄膜中N杂质的浓度,以及射频功率与晶体质量、表面形貌以及光学特性之间的关系,并与Al掺杂和N掺杂的ZnO薄膜进行对比。实验结果表明,N掺杂的浓度高达1020cm-3;N-Al共掺杂极大地增加了ZnO的成核速率,其主要原因是N离化所起的作用;N-Al共掺的ZnO薄膜显示出p型性质,而N掺杂的ZnO薄膜由于N原子处于非激活状态而呈现高阻,这说明N-Al共掺杂对ZnO中N原子的活化起到一定作用。     

通过交替生长气氛调控N掺杂ZnO薄膜电学特性

使用分子束外延方法在c面蓝宝石衬底上生长了系列氮掺杂ZnO薄膜样品。在连续的富锌气氛环境中生长的样品,由于存在大量的施主缺陷,呈现n型电导。为了抑制施主缺陷带来的补偿效应,在生长过程中,通过周期性补充氧气,形成周期性的富氧气氛,缓解了氮掺杂浓度和施主缺陷浓度之间的矛盾。光致发光测量表明,通过交替生长气氛,氧空位和锌间隙等缺陷在薄膜中得到了显著抑制。通过交替生长气氛生长的外延薄膜的结晶质量也有所提高。样品显示出重复性较高的p型电导,载流子浓度可达到10¹⁶ cm^-3。周期性补氧调节生长气氛的生长方式是一种有效实现p型掺杂ZnO的方法。     

第一性原理研究Te-N共掺p型ZnO

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势法对Te-N共掺杂ZnO体系的晶格结构、 杂质态密度和电子结构进行了理论分析.研究表明, N掺杂引起晶格收缩,而Te的掺入引起晶格膨胀, 从而减小晶格应力促进N的掺杂,并且Te由于电负性小于O而带正电, Te在ZnO中作为等电子施主而存在.研究发现, N掺杂体系中在费米能级附件形成窄的深受主能级, 而Te-N共掺体系中, N杂质带变宽,空穴更加离域,同时,空穴有效质量变小,受主能级变浅, 更有利于实现p型特性.因此, Te-N共掺有望成为一种更为有效的p型掺杂手段.     

NH3气氛处理制备p型ZnO薄膜及性能表征

采用NH₃气氛处理直流/射频共溅射方法制得的ZnO：Al薄膜,从而获得Al+N共掺p型ZnO薄膜.XRD,场发射扫描电子显微镜测试及Hall效应测试发现,处理温度对ZnO薄膜的结构和电学性能具有较大的影响,其中处理温度为700℃时,薄膜具有较好的c轴择优取向,并且薄膜表面平整,结构紧密,晶粒大小均匀,无明显空洞和裂缝,具有良好的表面质量,晶粒尺寸约为40—60nm,薄膜的导电类型由n型转变为p型. 关键词： p型ZnO Al+N共掺杂 直流/射频共溅射     

Mn和N共掺ZnO稀磁半导体薄膜的研究

使用对Zn₂N₃:Mn薄膜热氧化的方法成功制备了高含N量的Mn和N共掺ZnO的稀磁半导体薄膜.在没有N离子共掺的情况下,ZnO:Mn薄膜的铁磁性非常微弱;如果进行N离子的共掺杂,就会发现ZnO:Mn薄膜在室温下表现出非常明显的铁磁性,饱和离子磁矩为0.23 μ_B—0.61 μ_B.这说明N的共掺激发了ZnO:Mn薄膜中的室温铁磁性,也就是受主的共掺引起的空穴有利于ZnO中二价Mn离子的铁磁性耦合,这和最近的相关理论研究符合很好. 关键词： 磁性半导体 受主掺杂 空穴媒介的铁磁性     

铟磷共掺杂p型氧化锌薄膜形成机理和性质

利用射频磁控溅射在石英衬底上生长出铟磷共掺氧化锌薄膜(ZnO ∶ In,P),所用靶材为掺杂五氧化二磷(P₂O₅)和氧化铟(In₂O₃)的氧化锌(ZnO)陶瓷靶,掺杂质量分数分别为1.5%和0.3%,溅射气体为Ar和O₂的混合气体。原生ZnO薄膜是绝缘的, 600 ℃退火5 min后导电类型为n型,而800 ℃退火5 min后为p型。p型ZnO薄膜的电阻率、载流子浓度和霍尔迁移率分别为12.4 Ω·cm, 1.6×10¹⁷ cm^-3 和3.29 cm²·V^-1·s^-1。X射线衍射测量结果表明所有样品都只有(002)衍射峰,并与相同条件下生长的未掺杂ZnO相比向大角度方向偏移,意味着In和P都占据Zn位。XPS测试结果表明在共掺ZnO薄膜中P不是取代O而是取代Zn。因此,铟磷共掺ZnO薄膜中,In和P都取代Zn,并且P_Zn与2个锌空位(V_Zn)形成P_Zn-2V_Zn复合受主,薄膜表现为p型。     

Al-N共掺杂ZnO电子结构和光学性质

基于密度泛函理论的第一性原理,分析了Al-N共掺杂ZnO的电子结构和光学性质。计算了Al-N复合体共掺ZnO的结合能,发现Al-N复合体可以在ZnO中稳定存在,因此Al-N共掺可以提高N在ZnO的固溶度。研究表明:N掺杂ZnO体系,由于N-2p和Zn-3d态电子轨道杂化作用,在费米能级附近引入深受主能级,价带顶和导带底发生位移,导致禁带宽带变窄。而Al-N共掺杂体系,适当控制Al和N的比例,克服了N单掺杂时受主间的相互排斥,降低了受主能级,对改善ZnO的p型掺杂有重要意义。在Al-N共掺ZnO中,Al的引入,导致共掺体系的禁带宽度减小,吸收带边红移,实验现象证实了这一结果。     

铝氮共掺杂氧化锌纳米管电子结构的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理计算, 对(6,0)单壁氧化锌纳米管、铝掺杂、氮掺杂和铝氮共掺杂纳米管的能带结构、态密度和差分电荷密度进行了研究. 结果表明, 氮掺杂可以在纳米管禁带中引入受主能级, 实现纳米管的p型掺杂, 但是受主能级局域性较强, 导致氮溶解度低. 引入铝元素可以有效降低氮形成受主能级局域性, 激活氮元素, 铝氮共掺杂有望成为氧化锌纳米管一种更为有效的p型掺杂方法. 关键词： 氧化锌纳米管 电子结构 共掺杂 第一性原理计算     

First-Principle Studies on Conductive Behaviors of P-Type ZnO Codoped by N and B

Using a first-principle method, the electronic structures and the impurity formation energy of ZnO, ZnO (N), ZnO (N+B), and ZnO (2N+B) have been calculated, based on which the feasibility to obtain p-type ZnO is discussed. According to the results, when ZnO is single doped by N, the acceptor level is deep, and the formation energy is negative, so the ideal p-type ZnO can not be obtained by this way. On the contrary, when 2N+B are codoped into ZnO, the acceptor level becomes much lower, and the formation energy ispositive, so it is a better way to obtain p-type ZnO.     

Growth of Al–N codoped p-type ZnMgO thin films on different substrates

Al–N codoped p-type ZnMgO thin films were prepared on three different substrates, namely glass, quartz, and silicon. Significant differences in the crystallinity, surface morphology, and electrical properties on these substrates were investigated by means of x-ray diffraction, field-emission scanning electron microscopy, and Hall-effect measurements. It is demonstrated that the Al donor enhances the incorporation of the N acceptor, resulting in better p-type conductivity. The incorporation of the N acceptor, as well as the Al and Mg, was confirmed x-ray photoelectron spectroscopy. Transmittance and photoluminescence spectra suggested a wider bandgap for the ZnMgO thin films in comparison with ZnO, which is believed to be the result of the incorporation of Mg.     

射频反应磁控溅射法退火生长Na-N共掺杂p-ZnO薄膜

采用射频反应磁控溅射法退火生长得到了Na-N共掺杂p-ZnO薄膜。XRD测试结果表明,退火前后均得到c轴择优取向的ZnO薄膜。Hall测试结果表明:退火后薄膜的电学性能明显改善,得到了p-ZnO薄膜,退火温度为450℃时取得最佳电学性能:室温电阻率为139.2Ω.cm,迁移率为0.2cm2.V-1.s-1,空穴浓度为2.5×1017cm-3。XPS分析表明:Na掺入ZnO中作为受主NaZn而存在,N主要以N—H键的形式存在,其受主NO的作用不明显,但是否存在NaZn-NO受主复合体,还需进一步的研究。     

Fabrication and characterization of magnetron sputtered arsenic doped p-type ZnO epitaxial thin films

Arsenic doped p-type ZnO thin films were grown on sapphire substrate by magnetron sputtering. As grown films reveal p-type conduction confirmed by Hall-effect and photoluminescence measurements. The p-type film with a hole concentration of 2.16× 10¹⁷ cm⁻³, mobility of 1.30 cm²/V.s and resistivity of 22.29 Ω-m were obtained at substrate temperature of 700 °C. ZnO homojunction synthesized by in-situ deposition of As doped p-ZnO layer on Al doped n-ZnO layer showed p-n diode like characteristics. X-ray pole figure and Transmission Electron Microscope studies confirm epitaxial nature of the films. Photoluminescence results exhibit the peaks associated with donor acceptor pair emission.     

溅射气氛对N掺杂ZnO薄膜性能的影响

利用磁控溅射系统,N₂和Ar作为溅射气体,生长N掺杂ZnO薄膜。溅射气氛中氮气流量分别为0,8,20,32 mL/min,通过改变氮气的流量,研究薄膜性能的变化。结果发现,随着溅射气氛中氮气流量的增加,薄膜的电阻率增加,薄膜中N_O与(N₂)_O的掺杂浓度同时在变大。当氮气流量为8 mL/min时,N的有效掺杂效率最高。另外,随着溅射气氛中氮气流量的增加,薄膜的厚度在减小。     

Identification of Acceptor States in Li-N Dual-Doped p-Type ZnO Thin Films

Li-N dual-doped p-type ZnO （ZnO：（Li, N）） thin films are prepared by pulsed laser deposition. The optical properties are studied using temperature-dependent photoluminescence. The Lizn-No complex acceptor with an energy 1evel of 138 me V is identified from the free-to-neutral-acceptor （e, A0 ） emission. The Haynes factor is about 0.087 for the Lizn-No complex acceptor, with the acceptor bound-exciton binding energy of 12meV. Another deeper acceptor state located at 248 meV, also identified from the （e, A0） emission, is attributed to zinc vacancy acceptor. The two acceptor states might both contribute to the observed p-type conductivity in ZnO：（Li,N）.     

扩散掺杂的p型ZnO薄膜的光学性质研究

采用原子层沉积技术(atomic layer deposition)在InP衬底上生长ZnO薄膜,并在不同温度下(500和700 ℃)进行热退火处理,将P掺杂进入ZnO,得到p型ZnO薄膜。样品的光学特性通过光致发光光谱(photoluminescence, PL)来测定,得出热退火温度是影响P扩散掺杂的重要因素,低温PL光谱中,700 ℃热退火1 h样品的光谱展现出四个与受主相关的发射峰：3.351,3.311,3.246和3.177 eV,分别来自受主束缚激子的辐射复合(A°X)、自由电子到受主的发射(FA)、施主受主对的发射(DAP)以及施主受主对的第一纵向声子伴线(DAP-1LO),计算得到受主束缚能为122 meV,与理论计算结果一致。通过热扩散方式实现了ZnO薄膜的p型掺杂,解决了制约ZnO基光电器件发展的主要问题, 对ZnO基半导体材料及其光电器件的发展有重要意义。