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1、第56卷第9期2007年9月物理學(xué)報Vol.56,No.9,September,2007100023290P2007P56(09)P5371205ACTAPHYSICASINICAn2007Chin.Phys.Soc.ZnO電子結(jié)構(gòu)和p型傳導(dǎo)特性的3第一性原理研究?張金奎鄧勝華金慧劉悅林(北京航空航天大學(xué)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)基于密度泛函理論(DFT)框架下的第一性原理平面波超軟贗勢方法(USPP),對不同摻雜情況的ZnO晶體幾何結(jié)構(gòu)分別進行了優(yōu)化計算,從理論上給出了ZnO的晶胞參數(shù),
2、得到了ZnO的總體態(tài)密度(TDOS)和氮原子2p態(tài)的分波態(tài)密度(PDOS).計算結(jié)果表明:原胞體積隨著摻雜比例的提高而逐漸減小;將氮鋁按照2∶1的原子比例共摻可以使氮的摻雜濃度比只摻雜氮時明顯提高,且隨著鋁在鋅靶中摻入比例的增加,載流子遷移率提高,濃度增大,使得p型ZnO電導(dǎo)率提高,傳導(dǎo)特性增強.關(guān)鍵詞:共摻,p型傳導(dǎo),態(tài)密度,第一性原理PACC:7115H,7115M由于其固溶度同樣很低,實際上也很難獲得p型11引言ZnO半導(dǎo)體.理論計算預(yù)測,通過施主(B,Al,Ga等)、受主(N,P,As等)共摻雜技術(shù),施主的引入可有ZnO是一種具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)
3、的寬禁帶半導(dǎo)體材效地改變受主的固溶度,因而可以較容易地實現(xiàn)[8]料,室溫下禁帶寬度為3137eV,激子結(jié)合能達ZnO的p型轉(zhuǎn)變.此外,相對而言,Al具有比Ga,In[1—6]60meV,具有良好的光電性能,因而是一種理想等摻雜劑價格低廉、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)勢,因此通過的短波長發(fā)光器件材料,在半導(dǎo)體技術(shù)諸多領(lǐng)域有氮鋁共摻實現(xiàn)p型轉(zhuǎn)變,對于ZnO材料的應(yīng)用將更著廣闊的應(yīng)用前景.在ZnO光電性能應(yīng)用的研究具實際意義.中,制備結(jié)型器件是ZnO薄膜實用化的關(guān)鍵,p2n結(jié)關(guān)于共摻p型ZnO的性質(zhì)迄今尚未十分清楚,的研究成為該領(lǐng)域中的重要內(nèi)容.因此,為了大規(guī)模因此
4、從理論上對其進行深入研究十分必要,且具有地發(fā)展和利用ZnO,獲得低電阻的p型ZnO薄膜是重要的意義.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,對不同摻雜情況的天然ZnO通常會產(chǎn)生氧空位和鋅間隙原子,這ZnO電子結(jié)構(gòu)進行了計算和分析,得到了有意義的些本征缺陷使ZnO呈n型導(dǎo)電性.而且通過摻雜結(jié)果.[7]ⅢA族元素,如用Al,Ga,In替代Zn原子,或者通[8]21理論模型和計算方法過摻雜VIIA族元素,如用F取代O原子,都可以得到高質(zhì)量、高電導(dǎo)率的ZnO薄膜.但是由于ZnO2111理論模型中的氧空位和鋅間隙原子這
5、些本征施主缺陷會對受主產(chǎn)生高度自補償作用,而且ZnO受主能級一般很理想ZnO是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu),所屬空間群為深(氮除外),空穴不容易熱激發(fā)進入價帶,受主摻雜P63mc,對稱性為C6v24,晶格常數(shù)實驗值a=b=的固溶度很低,因此難以實現(xiàn)p型轉(zhuǎn)變.盡管氮被認01325nm,c=01521nm,α=β=90°,γ=120°.其中為是實現(xiàn)p型ZnO半導(dǎo)體的最理想的摻雜劑,但是cPa為11602,比理想的六角柱緊堆積結(jié)構(gòu)的116333國家自然科學(xué)基金(批準號:50201002)資助的課題.?通訊作者.E2mail:shdeng@buaa.edu.cn5372
6、物理學(xué)報56卷稍小.在c軸方向,Zn—O鍵為011992nm,在其他方方法.[7]向為011973nm,其晶胞由氧的六角密堆積和鋅的計算中平面波截斷能量Ecut=515eV,采用4×4六角密堆積反向套構(gòu)而成,其原胞構(gòu)造如圖1所示.×4的原點在Γ點的Monkhorst2Pack型自動生成網(wǎng)格.產(chǎn)生的網(wǎng)格是以倒格矢為單位的,特殊K點對全Brillouin求和,計算都在倒易空間中進行.總能計-6算中允許的誤差取為10eV.圖1ZnO原胞2121計算方法共摻理論研究認為:將氮與鋁按照2∶1的原子比例摻入ZnO薄膜,其中一個氮原子位于鋁的最近鄰位置,與鋁形成
7、N—Al原子對,另一個氮原子位于鋁的次近鄰位置,此時系統(tǒng)能量最低,結(jié)構(gòu)最穩(wěn)圖2氧化鋅超晶胞[8,9]定.因此,在計算氮鋁共摻時我們采用這種摻雜方法,其中2×2×2的ZnO超晶胞結(jié)構(gòu)如圖2[8]31計算結(jié)果與討論所示.[10,11]本文的計算工作是利用VASP軟件完成的.3111電子結(jié)構(gòu)分析VASP是采用有限溫度下的LDA(用自由能作為變量),并對每一分子動力學(xué)(MD)步驟用有效矩陣對為了研究摻雜對ZnO晶體結(jié)構(gòu)的影響,本文計角方案和有效Pulay混合求解瞬時電子基態(tài).這些算了在幾種不同摻雜情況下優(yōu)化晶體結(jié)構(gòu)以后得到技術(shù)可以避免原始的Car2Parr
8、inello方法存在的一切的ZnO晶格常數(shù)、原胞體積、鍵長、氮氮間距、形成問題,而后者是基于電子、離子運動方程同時積分的能
