半導(dǎo)體摻雜和表面若干穩(wěn)定結(jié)構(gòu)及其性質(zhì).pdf

1、在當(dāng)今追求科技產(chǎn)品多功能的信息時(shí)代，人們對(duì)微納尺度光電器件和電子器件的要求日益提高。為獲得新功能器件，制備穩(wěn)定的n型和p型摻雜的新型化合物半導(dǎo)體材料凸顯重要；同時(shí)，器件的比表面積隨器件的尺度減小迅速增大，Si表面上金屬的結(jié)構(gòu)和特性對(duì)器件的性能影響極大。然而，在纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO新型光電半導(dǎo)體中，存在非對(duì)稱摻雜和獲得的p型摻雜不穩(wěn)定和極性表面非零偶極矩的靜電不穩(wěn)定的難題；在Si表面上的金屬原子所形成的納米團(tuán)簇也存在結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電子結(jié)構(gòu)不確定

2、等問(wèn)題。極大地制約了這些半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)材料的應(yīng)用。為此，本論文著重就纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO中Ga-N等電子對(duì)共摻雜p型材料、Zn和O極性表面結(jié)構(gòu)、Si(III)-(7×7)表面Zn納米團(tuán)簇結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及其電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)開(kāi)展研究。 首先，從纖鋅礦結(jié)構(gòu)ZnO的p型摻雜穩(wěn)定性和能帶結(jié)構(gòu)調(diào)制的角度出發(fā)，計(jì)算了兩種Ga-N等電子對(duì)共摻雜構(gòu)型的總能、態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)。總能計(jì)算表明，共摻有利于No受主雜質(zhì)的穩(wěn)定，并提高N在ZnO晶體中的摻雜濃度。態(tài)密度和

3、能帶結(jié)構(gòu)結(jié)果顯示，共摻構(gòu)型I較構(gòu)型II更有利于No引入的空穴和GaZn引入的電子的完全互補(bǔ)償，從而不改變完整晶格ZnO的基本電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)，而僅僅抬高其價(jià)帶頂，在價(jià)帶頂處產(chǎn)生一個(gè)完全占據(jù)的非有效雜質(zhì)態(tài)，有效降低了No的受主電離能，并提高了No的p型摻雜效率。 其次，干凈無(wú)再構(gòu)Zn和O極性表面的幾何結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)性質(zhì)的計(jì)算表明，形成Zn極性表面后，最外Zn原子層稍微向外移動(dòng)，并在完整晶格ZnO的導(dǎo)帶底處產(chǎn)生了新的陡峭表面態(tài)，使得費(fèi)米

4、能級(jí)抬高進(jìn)入導(dǎo)帶，形成n型導(dǎo)電。形成O極性表面后，最外O原子層向內(nèi)大幅度位移，并在完整晶格ZnO的價(jià)帶頂處產(chǎn)生了新的平坦表面態(tài)，費(fèi)米能級(jí)下移進(jìn)入價(jià)帶，使O面具有p型導(dǎo)電性。結(jié)合Zn和O極性表面的STM觀測(cè)認(rèn)為，Zn表面的穩(wěn)定通過(guò)形成以O(shè)原子為臺(tái)階邊沿的能量最低的{10-10}為臺(tái)階納米小面的三角島鋸齒臺(tái)面，改變表面Zn/O比，以補(bǔ)償極性表面電荷。而O表面的穩(wěn)定則主要通過(guò)表面電荷的轉(zhuǎn)移和p型表面態(tài)的生成來(lái)補(bǔ)償極性表表面電荷。 最后

5、，在Si(111)-(7×7)表面生長(zhǎng)出了全同的Zn納米團(tuán)簇，結(jié)合掃描隧道顯微鏡和第一性原理總能計(jì)算及理論STM模擬研究結(jié)果顯示，Zn納米團(tuán)簇中心傾向于被一個(gè)Zn原子所占據(jù)，使Zn納米團(tuán)簇不同于其它金屬納米團(tuán)簇(N=6)，形成最穩(wěn)定的Zri7Si3原子構(gòu)型。STS測(cè)量結(jié)果表明，在掃描偏壓為±0.5V時(shí)Zn7Si3納米團(tuán)簇幾乎消失不見(jiàn)的現(xiàn)象是Si(111)-(7×7)表面位于-0.3和+0.5V處的Si頂戴原子表面懸掛鍵態(tài)被飽和，形成具有

6、半導(dǎo)體態(tài)密度分布的結(jié)果；Zn7Si3納米團(tuán)簇占據(jù)層錯(cuò)半單胞，清空了與之近鄰的無(wú)層錯(cuò)半單胞中最近鄰中心Si頂戴原子在-0.3V處的占據(jù)電子，澄清了近鄰無(wú)層錯(cuò)半單胞中最近鄰3個(gè)中心Si頂戴原子在占據(jù)態(tài)STM形貌像中變暗的物理起源。不同Zn覆蓋度下Zn/Si(111)-(7×7)表面的STM形貌研究表明，Zn薄層的生長(zhǎng)模式為經(jīng)典的層狀-島狀生長(zhǎng)模式。所生長(zhǎng)的Zn薄層不是普通的六角密堆積金屬Zn薄層，而是多層蜂窩狀Zn納米團(tuán)簇陣列層。對(duì)不同襯底

7、溫度生長(zhǎng)的Zn薄層STM形貌研究發(fā)現(xiàn)，隨著Zn原子單層與襯底Si(111)-(7×7)表面間距的增大，Si(111)-(7×7)表面對(duì)Zn原子單層的作用逐漸減弱，并導(dǎo)致Zn原子層的生長(zhǎng)從單層生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)變?yōu)閸u狀生長(zhǎng)模式，并對(duì)不同Zn原子單層的電子態(tài)產(chǎn)生顯著的影響。原位RHEED衍射圖樣和STM形貌像分析顯示，第一Zn原子單層為Zn7Si3納米團(tuán)簇組成的納米團(tuán)簇陣列層。從第二Zn原子單層開(kāi)始，金屬Zn納米團(tuán)簇通過(guò)直接在Zn7Si3納米團(tuán)簇上