过渡金属-氟/碳-氧共掺杂提升氮化铝p型导电性的理论研究

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在过去的几十年中,氮化铝(AlN)作为Ⅲ族氮化物中具有最宽带隙的直接带隙半导体(带隙为6.2 e V),在发展紫外光光源(发光二极管和激光二极管)方面展现出良好的应用前景。在实际应用中,AlN的器件性能在很大程度上取决于它的导电性。研究发现,AlN可以通过掺有施主型掺杂剂获得有效的n型导电性。然而,它并没有表现出有效的p型可掺杂性,使其实际应用的可能性受到限制。因此,寻找合适的受主型掺杂剂使AlN具有高效的p型导电是目前能够提升其实际应用价值的迫切问题之一。此外,第一性原理计算已从单纯的辅助解释和支持实验发展成为预测新材料及提升材料性能的强大工具。本文基于第一性原理计算,筛选出合适的掺杂剂以提升AlN的p型导电性,探讨了进一步提升其p型导电性的掺杂方式,为实验上研发高性能AlN提供了理论基础。本文的主要研究内容如下:1.理论探索过渡金属杂质使AlN获得高效的p型导电性。在本工作中,通过第一性原理计算,Zn和F共掺杂是提高AlN材料p型导电性的有效策略。我们选择了第10~12组过渡金属(TM)元素,研究最有潜力的掺杂剂。其中,ZnAl的缺陷形成能和跃迁能级最低。有趣的是,p-d杂化强度与缺陷形成能之间存在着密切的关系。另一方面,Zn和F共掺杂(FN-3ZnAl)进一步降低了缺陷形成能和跃迁能级,显著地提高了Zn受主的溶解度和载流子浓度(即良好p型导电性)。通过分析杂质体系的投影态密度,揭示了良好p型导电性的物理起源。2.理论探索共掺杂碳(C)杂质和氧(O)杂质提升AlN的p型导电性。大量研究表明,ON和CN成为AlN不可避免的缺陷,甚至可以达到较高的浓度,从而影响其电学和光学性质。同时,共掺杂作为一种有效的方法已被广泛应用于缺陷设计,以降低缺陷形成能和跃迁能级,提升材料的导电性。令人满意的带隙和高浓度的杂质促使我们再次探索AlN中的氧(O)和碳(C)杂质。基于第一性原理计算方法,我们计算了孤立ON和CN以及2ON-CN和2CN-ON的复合缺陷掺杂AlN的形成能和跃迁能级。结果表明,共掺杂的形成能和跃迁能级相比于单掺杂都有所降低,这有利于获得高效的p型导电。此外,详细地讨论了导致形成能和跃迁能级降低的物理本源。
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