金刚石半导体电子性质研究

论文摘要

金刚石作为一种宽带隙（5.4eV）半导体材料,具有优异的物理化学性质,在高温,高频,大功率电子器件等高新科技领域有极大的应用潜力。然而,其目前的发展状况却不是很理想。尽管人们已掌握了多种生产金刚石薄膜的技术并能制备具有多种结构特点的金刚石薄膜,金刚石掺硼的p-型材料已基本实用化,但其有效实用的n-型导电材料的缺乏制约了金刚石半导体在电子领域的应用。由于目前还不能有效地控制n-型材料的电导率从而得到合格的n-型导电材料,所以迄今还不能制造出有效的金刚石相关优质电子器件。因此,n-型掺杂问题一直是金刚石半导体材料研究的关键问题之一。近些年来,人们在金刚石n-型材料的研究方面作了大量的理论和实验工作。通常的实验和理论研究是试图通过氮或磷等施主元素的掺杂实现金刚石的n-型导电。然而,寻找金刚石n-型材料的过程并不顺利,遇到了种种问题。磷元素被认为是金刚石中最有潜力的施主杂质,但在磷掺杂金刚石中存在着严重的载流子补偿问题。实验研究发现,随着磷掺杂浓度的提高,金刚石中载流子补偿密度单调增加,大大降低了磷的掺杂效果。目前,人们已研究的金刚石施主杂质主要限制在以下几种:Ⅰ族元素Li、Na;Ⅴ族元素N、P、As和Sb;Ⅵ族元素O、S、Se和Te。不幸的是,这些施主元素的掺杂研究并未得到有效的、可实用的n-型金刚石材料,因此有必要探索新的施主杂质。另外,实验研究表明,氢对金刚石材料的电子性质有重要的影响,尤其是对硼掺杂p-型金刚石材料的导电性质的影响还存在争议。因此开展相关的研究对金刚石半导体材料的开发和应用具有重要的意义。针对上述问题,我们基于密度泛函理论开展了以下几方面的工作:1.研究了磷掺杂金刚石中的载流子补偿现象,探讨了产生此现象的可能原因。研究发现,随着金刚石中磷掺杂浓度的增大,空位缺陷浓度也相应增大,相继形成单空位、双空位和三空位的磷相关复合物。磷相关复合物补偿载流子的能力随其所含空位缺陷数量的增多而增大。因此,随着磷浓度的增大,载流子的补偿密度单调增加。我们的研究结果为理解磷掺杂金刚石载流子补偿现象机理及磷掺杂金刚石材料性能的改进提供了理论依据。2.研究了铍、镁及卤素杂质对金刚石电子性质的影响。结果发现杂质铍、镁位于间隙位置时,金刚石显示了带有金属性质的n-型导电特性。替位式卤族元素碘也可以使金刚石显示良好的n-型导电性。进一步研究发现,氢原子可以降低这些施主元素的n-型导电行为。因此,这些施主元素掺杂金刚石应在少氢的环境下进行。我们的研究结果为寻找可能的施主元素及其掺杂条件提供了必要的理论依据。3.系统研究了氢原子对硼掺杂金刚石电子性质的影响。根据对氢原子与硼掺杂金刚石之间的相互作用的全面研究发现,氢原子对硼掺杂金刚石的影响与硼和氢原子之间的轨道杂化有密切关系,杂化程度的不同,可以导致材料分别显示n-型,p-型导电性或者绝缘性。我们的研究结果为实验研究中控制掺杂金刚石的导电类型提供了理论依据。本论文结构如下:第一章绪论。介绍了金刚石的研究背景和研究意义。包括:金刚石基本性质概述;金刚石的物理化学性质;金刚石材料的研究进展及本论文的研究内容。第二章密度泛函理论基础。简要介绍了密度泛函理论的基本框架和近年来的理论发展。包括:第一性原理计算和密度泛函理论的基本概念;交换相关能量泛函;平面波和赝势方法及密度泛函理论的修改与扩展。第三章磷掺杂金刚石中载流子补偿的理论研究。介绍了我们对磷掺杂金刚石载流子补偿现象的研究。包括:研究背景;计算与方法;结果与讨论及本章小结。第四章铍、镁及卤素杂质对金刚石电子性质的影响。介绍了铍、镁及卤素杂质对金刚石电子性质的影响。包括:研究背景;计算方法与模型;Be、Mg及其H化物对金刚石电子性质的影响;卤素X（=F,Cl,Br,I）对金刚石电子性质的影响及本章小结。第五章氢对硼掺杂金刚石材料电子性质的影响。系统研究了氢原子对硼掺杂金刚石电子性质的影响,对氢原子与硼掺杂金刚石之间的相互作用做了全面研究。包括:研究背景;计算方法与模型;结果与讨论;氢对硼掺杂金刚石导电性影响的实验检测及本章小结。第六章总结与展望。对本论文进行了总结,并对以后拟开展的工作进行了展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 金刚石的研究背景和研究意义
• 1.2 金刚石基本性质概述
• 1.2.1 金刚石的结构性质
• 1.2.2 金刚石的分类
• 1.2.3 金刚石薄膜的制备
• 1.3 金刚石的物理化学性质
• 1.4 金刚石材料性质的研究进展
• 1.4.1 金刚石材料的p-型掺杂
• 1.4.2 金刚石材料的n-型掺杂
• 1.5 本论文的研究内容
• 参考文献
• 第二章 密度泛函理论基础
• 2.1 第一性原理计算和密度泛函理论的基本概念
• 2.1.1 Hartree-Fock近似
• 2.1.2 Hohenberg-Kohn（HK）定理
• 2.1.3 Kohn-Sham方程
• 2.2 交换相关能量泛函
• 2.2.1 局域密度近似（Local density approximation,LDA）
• 2.2.2 广义梯度近似（Generalized Gradient Approximation,GGA）
• 2.2.3 杂化密度泛函（Hybrid Density Functional）
• 2.2.4 交换相关泛函存在的不足
• 2.3 平面波和赝势方法
• 2.3.1 平面波方法
• 2.3.2 赝势方法
• 2.4 密度泛函理论的修改与扩展
• 参考文献
• 第三章 磷掺杂金刚石中载流子补偿的理论研究
• 3.1 研究背景
• 3.2 计算与方法
• 3.3.结果与讨论
• 3.3.1 P相关复合物的中性态
• 3.3.2 P相关复合物的负电荷态
• 3.4.本章小结
• 参考文献
• 第四章 铍、镁及卤素杂质对金刚石电子性质的影响
• 4.1 研究背景
• 4.2 计算方法与模型
• 4.3 Be、Mg及其H化物对金刚石电子性质的影响
• i'>4.3.1 间隙缺陷原子X_i
• i-H和Mg_i-H复合物'>4.3.2 Be_i-H和Mg_i-H复合物
• s'>4.3.3 替位式缺陷原子X_s
• 4.4.卤素X（=F,Cl,Br,I）对金刚石电子性质的影响
• 4.4.1 缺陷原子形成能和穆里肯布居分析
• 4.4.2 替位式杂质
• 4.4.3 间隙式杂质
• 4.4.4 H对施主杂质的影响
• 4.5 本章小结
• 参考文献
• 第五章 氢对硼掺杂金刚石材料电子性质的影响
• 5.1 研究背景
• 5.2 计算方法与模型
• 5.3.结果与讨论
• 5.3.1 （B-H）复合物的结构性质
• 5.3.2 （B-H）复合物的电子结构
• 5.3.3 （B-H）复合物的稳定性
• 5.4 氢对硼掺杂金刚石导电性影响的实验检测
• 5.5 本章小结
• 参考文献
• 第六章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 攻读博士学位发表论文目录和获奖情况
• 发表论文
• 获奖情况
• 参加的研究项目
• 致谢
• 英文论文一
• 英文论文二
• 学位论文评阅及答辩情况表