氧化鎵晶體有效p型摻雜第一性原理研究.pdf

1、寬禁帶半導(dǎo)體材料由于其獨特的性質(zhì)和廣泛的應(yīng)用潛力已經(jīng)成為當(dāng)今最熱門的材料之一，其中β-Ga2O3晶體作為第四代寬禁帶半導(dǎo)體材料已經(jīng)展示出了可以應(yīng)用在許多領(lǐng)域的優(yōu)異性能，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括:高溫氣敏器件、深紫外光電器件和超高壓功率器件。為了能夠生長出質(zhì)量較高、載流子濃度可控的n型和p型β-Ga2O3晶體，摻雜成為了一個重要的手段。經(jīng)過多年研究，已經(jīng)成功制備了n型半導(dǎo)體，并且可以實現(xiàn)載流子濃度在一定程度上的調(diào)控，然而p型半導(dǎo)體的制備仍是一大難

2、題，這也在一定程度上制約著β-Ga2O3基半導(dǎo)體器件的應(yīng)用范圍。經(jīng)過實驗和理論工作者們不斷的研究和討論，目前來看，造成p型摻雜困難的原因主要歸結(jié)為三個方面:(1)n型背景載流子的自補償效應(yīng);(2)缺少淺能級受主;(3)受主離子易鈍化。
　　本論文針對β-Ga2O3晶體有效p型摻雜的困難，采用第一性原理的方法，針對前兩個困難進行了探討，重點研究了本征缺陷對晶體導(dǎo)電性質(zhì)的影響以及對淺能級受主雜質(zhì)的探尋，在單金屬摻雜的基礎(chǔ)上還進一步考慮

3、了金屬-非金屬共摻的情況，從理論上為p型摻雜β-Ga2O3晶體的生長提出了一些可能的實現(xiàn)途徑。通過形成能的計算，分別確定了不同缺陷或者摻雜情況下的最優(yōu)構(gòu)型，并針對最優(yōu)結(jié)構(gòu)對其電學(xué)性質(zhì)進行了較為詳細的研究。通過分析含有本征缺陷體系的態(tài)密度和能帶結(jié)構(gòu)得出，Gai、GaO和GaiVO表現(xiàn)出n型導(dǎo)電特性，相反VGa、GaiVGa和OiVGa則屬于p型缺陷，而n型缺陷往往在富鎵缺氧的條件下容易引入，p型缺陷則在富氧缺鎵的條件下容易引入，因此我們認

4、為富氧條件下生長β-Ga2O3晶體則相對更容易得到p型半導(dǎo)體。針對p型淺能級受主雜質(zhì)的探究中，我們通過對形成能及態(tài)密度的綜合分析得出Na、Mg、 Ca、Cu、Ag、 Zn和Cd均為潛在的p型雜質(zhì)，這還需要后續(xù)的實驗進行進一步的研究。另外，對金屬-氮共摻的β-Ga2O3晶體的計算中發(fā)現(xiàn)，共摻后形成能相對于單摻雜時較低，并且由于電荷補償效應(yīng)，其總體上均體現(xiàn)出p型導(dǎo)電的特性。因此，金屬-非金屬共摻可能是一種很好的解決晶體p型摻雜困難的有效方法