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p型掺杂剂Cp2Mg在MOCVD气相中的反应机理研究

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化工学报 2020年第7期71卷 3000-3008页

作者：张红唐留江苏大学能源与动力工程学院江苏镇江212013

采用量子化学的密度泛函理论计算,提出并研究了金属有机化学气相沉积(MOCVD)气相过程中p型掺杂剂Cp2Mg的反应机理。特别判断了不同温度下各反应进行的可能性。发现Cp2Mg主要有两条相互竞争的反应路径,加合路径和氢解路径。对于加合路径,... 详细信息

采用量子化学的密度泛函理论计算,提出并研究了金属有机化学气相沉积(MOCVD)气相过程中p型掺杂剂Cp2Mg的反应机理。特别判断了不同温度下各反应进行的可能性。发现Cp2Mg主要有两条相互竞争的反应路径,加合路径和氢解路径。对于加合路径,在293~573 K的温度范围内,会形成络合物Cp2Mg∶NH3或Cp2Mg∶(NH3)2。对于氢解路径,气相中的H自由基是一把"双刃剑"。一方面H自由基对Cp2Mg的分解有积极的辅助作用,明显降低了Cp2Mg的分解温度;另一方面由于钝化作用会形成Mg-H气相络合物,影响p型掺杂效果。

关键词：金属有机化学气相沉积密度泛函理论 p型掺杂反应机理计算化学

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MgZnOS的p型掺杂及其光电探测器研究

MgZnOS的P型掺杂及其光电探测器研究

作者：郭紫曼湖北大学

学位级别：硕士

氧化锌(Zn O)是一种直接带隙半导体材料,其禁带宽度达3.37 e V,激子束缚能高达60 me V,它不仅具有出色的发光性能,而且价格低廉、环保无毒,易于获取。由于以上诸多特性,Zn O在光电领域具有很大发展潜力。但是要实现Zn O半导体材料的实... 详细信息

氧化锌(Zn O)是一种直接带隙半导体材料,其禁带宽度达3.37 e V,激子束缚能高达60 me V,它不仅具有出色的发光性能,而且价格低廉、环保无毒,易于获取。由于以上诸多特性,Zn O在光电领域具有很大发展潜力。但是要实现Zn O半导体材料的实际应用,以下两个问题亟待解决:一是Zn O材料的能带工程;二是高质量双极性(n型和p型)Zn O材料的开发。目前,人们通过阴阳离子掺杂的手段实现了Zn O能带的自由调控。双极性掺杂方面,Zn O作为一种本征n型半导体材料,其n掺杂易于实现;由于Zn O中N受主固溶度低、受主能级深、本征电子浓度高等问题,其稳定p型掺杂仍未解决。文献调研表明,少量Mg掺杂可以在保持Zn O六方纤锌矿结构不变的情况下拓宽Zn O光学带隙,提高其导带底从而抑制其本征施主(氧空位)电离产生背景电子;另一方面,适量S元素掺杂可以有效提高价带顶从而降低N受主形成能和受主能级。因此,可以通过Mg、S元素共掺Zn O来同时提高Zn O价带顶和导带底,从而更在有效降低N受主激活能(产生更多空穴)的同时抑制本征背景电子,实现Mg Zn OS合金的高效稳定p型掺杂。本文采用脉冲激光沉积法(pLD),在不同氧压下沉积Mg Zn OS薄膜,实现其带隙调控的基础上,进一步探索以NO为反应气体,成功实现了p型导电Mg Zn OS:N薄膜的制备,并在此基础上,构筑了新型p-Mg Zn OS:N/n-Zn O准同质p-n结型自驱动紫外光电探测模型器件。主要研究内容和实验结果如下:1、以自制的Mg Zn OS陶瓷为靶材、O为反应气体,通过改变生长氧压在c面蓝宝石衬底上制备了一系列Mg Zn OS四元合金薄膜,并研究了薄膜的结构、形貌以及光学带隙的演化规律;进一步在Mg Zn OS薄膜表面蒸镀平行Au电极,探索制备MSM型光电探测器,初步测试了探测器的光电相应性能。结果表明:制备的MgZnOS薄膜具有纤锌矿结构和c轴取向,且具有较为光滑的表面。随生长氧压从0 pa增大到4 pa,MgZnOS薄膜中S含量从66%降低到7%,其光学带隙相应地按照E=3.78+1.46x+0.96x规律从3.23 e V增大至3.71 e V。MSM型光电探测器测试结果表明:随着Mg Zn OS薄膜沉积氧压增大,光电探测器光暗电流比先增大后减小,而相应弛豫时间单调增大。2、采用pLD法,以自制的不同Mg含量Mg Zn OS陶瓷为靶材、高纯NO为反应气体,在c面蓝宝石衬底上制备了一系列不同Mg含量的Mg Zn OS:N薄膜,研究了薄膜的结构、光学和电学性能,在Mg Zn OS薄膜中成功实现p型导电。结果表明:制备的Mg Zn OS:N薄膜(靶材中Mg含量型为p型,薄膜空穴浓度(n)为2.02×10cm,霍尔迁移率(μ)为0.25cm/V·s,电阻率(ρ)为1.25Ω·cm。3、在上述p型导电Mg Zn OS:N薄膜基础上,分别以Zn O和n-Mg Zn OS作为n型层,通过在n、p层上蒸镀Al、Au电极,探索制备出新型n-Zn O/p-Mg Zn OS:N结及n-Mg Zn OS/p-Mg Zn OS:N结光电探测模型器件,实现了对350 nm波长紫外光的自驱动探测。结果表明::n-Zn O/p-Mg Zn OS:N结及n-Mg Zn OS/p-Mg Zn OS:N结均表现出明显的整流特性,开启电压分别为1.21 V和0.24 V;0 V偏压下,n-Zn O/p-Mg Zn OS:N探测器的响应时间为τ=0.69 s、τ=0.33 s,响应度为2.26 m A/W、探测率为2.67×10Jones(@350 nm);n-Mg Zn OS/p-Mg Zn OS:N探测器在0 V偏压下的响应时间为τ=0.13 s、τ=0.07 s,响应度为0.086 m A/W(@350 nm)。通过性能对比可以看出以Mg Zn OS作为n型层制备光电探测器可以缩短器件响应时间,但是不利于器件响应度的提升。

关键词：脉冲激光沉积(pLD) MgZnOS薄膜 N掺杂光电探测器 p型掺杂

Bi2Se3红外透明导电薄膜的构建及p型掺杂特性的第一性原理研究

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Bi2Se3红外透明导电薄膜的构建及p型掺杂特性的第一性原理研究

作者：朱超长春理工大学

学位级别：硕士

Bi2Se3作为一种常被应用到半导体器件中的三维拓扑绝缘体材料,具有高电导率,良好的光学透明性和高耐久性等优点。目前研究发现,通过对Bi2Se3进行p型掺杂可以大幅提升电子传输性质和光学性能,从而扩大应用范围。由此可见,对Bi2Se3晶体结... 详细信息

Bi2Se3作为一种常被应用到半导体器件中的三维拓扑绝缘体材料,具有高电导率,良好的光学透明性和高耐久性等优点。目前研究发现,通过对Bi2Se3进行p型掺杂可以大幅提升电子传输性质和光学性能,从而扩大应用范围。由此可见,对Bi2Se3晶体结构、光电性质以及p型掺杂特性的研究具有重要的应用价值。首先,通过分子束沉积方法外延生长了 n型红外透明导电Bi2Se3薄膜,并将其掺入N-Bi2 Se3/p-CuScO2异质结二极管中进行研究。其次,基于第一性原理,应用Materials Studio2019软件对Bi2Se3的能带结构、态密度、差分电荷密度、光学特性等进行了模拟研究。具体研究内容如下:一、通过分子束外延(molecular beam epitaxy,MBE)方法在A12O3(001)衬底上外延生长了 n型红外透明导电Bi2Se3薄膜,Bi2Se3与衬底之间的取向为Bi2Se3(001)/Al2O3(1 (?) 10)。导电机制为小极化跳跃机制,激活能为34 meV。该薄膜表现出n型导电性,室温下电阻率为7×10-4Ω.cm。该薄膜在室温下表现出优异的载流子迁移率为1,015 cm2/Vs,并在近红外(>70%)和远红外(>85%)范围内保持光学透明性。目前,Bi2Se3在n型红外透明导电薄膜领域最好的应用是通过物理或化学方法制备Bi2Se3薄膜。为了探索Bi2Se3薄膜的应用,本研究制备了 N-Bi2Se3/p-CuScO2异质结二极管器件,其～3.3 V的阈值电压与CuScO2带隙值相当吻合。Bi2Se3薄膜的高光学透明性和导电性使其在近红外到远红外宽波长范围的光电应用中非常有前景。二、研究了 Bi2Se3的本征结构:本文首先对Bi2Se3的本征结构进行模拟计算,结果表明未考虑自旋轨道耦合时Bi2Se3材料是窄禁带直接带隙半导体。考虑自旋轨道耦合后Bi2Se3的能带结构发生了很大变化,由直接带隙结构转变为间接带隙结构。研究结果发现Se原子和Bi原子之间存在很强的共价相互作用,两种原子之间的化学键为共价键,且Bi2Se3材料对于短波长紫外光有较强的吸收。三、为了得到光电性能优越的Bi2Se3材料,选用过渡金属元素Fe、Ca和Mg对Bi2Se3的晶胞进行p型掺杂改性研究。对于过渡金属Fe的掺杂改性研究,需要整体确定原子自旋属性。研究发现当Fe以高自旋状态掺杂时体系最稳定。然后,分别计算Fe(以向上高自旋方式)掺杂浓度为单原子和四原子均匀对称的两种体系。结果表明随着Fe元素掺杂浓度的增加,掺杂体系的带隙逐渐变小。随后计算了 Ca(以不带自旋方式)掺杂浓度分别为单原子和四原子均匀对称的两种体系,随着Ca元素掺杂浓度的增加,掺杂体系的带隙逐渐变大,说明Ca元素打开了体系的能隙。最后计算了Mg(以不带自旋方式)掺杂浓度分别为单原子和四原子均匀对称的两种体系,结果表明随着Mg元素浓度的增加,体系的带隙也逐渐变小。此外,还研究了 Ca、Fe和Mg对Bi2Se3的掺杂效果。计算了 Ca、Fe和Mg取代Bi位的形成能,研究得到单个原子(Ca、Fe和Mg)掺杂体系的形成能均小于零,而其他掺杂体系的形成能均远大于零,这一结果表明单个原子(Ca、Fe和Mg)掺杂体系能对Bi2Se3实现较稳定的p型掺杂。进一步比较Ca、Fe和Mg掺杂形成能大小,发现Fe元素掺杂效果最好,Mg元素掺杂效果次之,Ca元素掺杂效果最差。综上所述,本文对拓扑绝缘体Bi2Se3的本征结构以及p型掺杂改性进行了系统研究,并且得出了一些有效结论,这对未来Bi2Se3材料的p型掺杂研究和Bi2Se3材料的进一步应用奠定了基础。

关键词：第一性原理 Bi2Se3 拓扑绝缘体 p型掺杂红外透明导电薄膜

二维硫属半导体的离子交换p型掺杂及pN结光电性能研究

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二维硫属半导体的离子交换P型掺杂及PN结光电性能研究

作者：李泽鑫华中科技大学

学位级别：硕士

二维硫属半导体具有强的光-物质相互作用、层数依赖的可调带隙、高迁移率等优异的光电性质,有望应用于下一代新型光电子器件领域,从而备受科研工作者的关注。然而,p型二维硫属半导体的相对稀缺限制了其进一步的研究与发展。由于二维材... 详细信息

二维硫属半导体具有强的光-物质相互作用、层数依赖的可调带隙、高迁移率等优异的光电性质,有望应用于下一代新型光电子器件领域,从而备受科研工作者的关注。然而,p型二维硫属半导体的相对稀缺限制了其进一步的研究与发展。由于二维材料高温稳定性不足和脆弱的晶格结构,传统半导体掺杂方法(离子注入和高温扩散)会对二维材料晶格产生破坏并引入缺陷,因此对二维材料不再适用。而当前已报道的二维材料掺杂方法都存在着一些不可避免的问题,例如普适性低,掺杂效果差等。离子交换作为一种纳米材料修饰手段,具有条件温和、液相可加工的优点,是一种潜在的二维材料掺杂方法。基于此,本文开展了基于Sn阳离子交换取代掺杂二维硫属半导体的探索工作,对材料掺杂后的光电性能进行研究。主要研究工作如下:(1)开发了一种基于Sn离子交换的室温液相掺杂方法,并对多种二维硫属半导体(pdSe、WSe、WS、ReSe、MoSe、MoTe以及ptSe)实现了普适性的p型调控。随后,以二维pdSe的掺杂为例进行了系统的表征与测试,证明了Sn原子成功的取代掺杂。掺杂后,费米能级将朝价带顶偏移降低了价带中电子的浓度,从而导致p型的掺杂效果。通过调节SnCl浓度,实现了pdSe从N型转变为双极性,最终完全变为p型的可控掺杂。此外,掺杂后pdSe对532 nm激光的光响应度由61 mA/W提高至23.1 A/W。(2)通过局部掺杂对二维pdSe实现了空间选择性的p型调控,并成功构筑pdSe面内pN结。功函数测试发现pN结存在明显的势垒高度差(约为70-80 meV)。并且该器件展现出良好的整流特性,整流比高达10。此外,由于内建电场的存在,器件还展现出光伏现象,开路电压V为118 mV,短路电流I为17 pA。基于光伏效应,该器件对532 nm激光展现出较快的响应速度(～20 ms)。

关键词：二维硫属半导体离子交换 p型掺杂 pN结光电器件

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氮化铟p型掺杂的第一性原理研究

物理学报 2007年第7期56卷 4062-4067页

作者：丁少锋范广涵李述体肖冰华南师范大学光电子材料与技术研究所广州510631 西安交通大学材料学院西安710049

采用基于密度泛函理论(DFT)的总体能量平面波超软赝势法,对Mg,Zn,Cd掺杂InN的32原子超原胞体系进行了几何结构优化,从理论上给出了掺杂和非掺杂体系的晶体结构参数,其中非掺杂体系的理论值与实验值符合很好.计算了掺杂InN晶体的结合能,... 详细信息

采用基于密度泛函理论(DFT)的总体能量平面波超软赝势法,对Mg,Zn,Cd掺杂InN的32原子超原胞体系进行了几何结构优化,从理论上给出了掺杂和非掺杂体系的晶体结构参数,其中非掺杂体系的理论值与实验值符合很好.计算了掺杂InN晶体的结合能,总体态密度、集居数,差分电荷密度,并对此做了细致的分析.计算结果表明,相对于Zn和Cd,MgIn在InN中的溶解度会更大,并能提供更多的空穴态,非常有利于InN的p型掺杂.

关键词：氮化铟 p型掺杂电子结构第一性原理

Fe_3O_4 p型掺杂对有机电致发光器件性能的提高

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发光学报 2011年第1期32卷 42-46页

作者：张丹丹刘磊石陈路王海刘式墉冯晶吉林大学电子科学与工程学院集成光电子学国家重点联合实验室吉林长春130012 江阴新顺微电子有限公司江苏江阴214431

将金属氧化物Fe3O4在空穴传输材料中进行p型掺杂并制作有机电致发光器件,使器件的开启电压由5V降至2.5V;20mA/cm2电流密度下的功率效率由1.2lm/W提高到2.0lm/W;10V下的亮度由1680cd/m2提高到30590cd/m2。紫外-可见-红外吸收光谱及紫外... 详细信息

将金属氧化物Fe3O4在空穴传输材料中进行p型掺杂并制作有机电致发光器件,使器件的开启电压由5V降至2.5V;20mA/cm2电流密度下的功率效率由1.2lm/W提高到2.0lm/W;10V下的亮度由1680cd/m2提高到30590cd/m2。紫外-可见-红外吸收光谱及紫外光电子能谱的测试分析结果表明,p型掺杂剂的引入不仅能够提高器件的空穴传输能力,而且使空穴的注入势垒降低了0.37eV,从而可制作出低驱动、高效率、高亮度的有机电致发光器件的制作。

关键词：有机电致发光器件 Fe3O4 p型掺杂

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p型掺杂ZnO薄膜的光致发光特性研究

压电与声光 2018年第4期40卷 503-506页

作者：沈洪雪马俊姚婷婷李刚蚌埠玻璃工业设计研究院浮法玻璃新技术国家重点实验室安徽蚌埠233018

采用磁控溅射技术,以N_2作为p型掺杂源,制备p型N掺杂ZnO薄膜,着重研究了不同掺杂量的N掺杂ZnO薄膜的光学特性。结果表明,掺杂ZnO薄膜在360nm、380nm处出现主荧光峰,409nm、440nm处出现次荧光峰,而且随着N掺杂量的不同,主、次荧光峰-峰... 详细信息

采用磁控溅射技术,以N_2作为p型掺杂源,制备p型N掺杂ZnO薄膜,着重研究了不同掺杂量的N掺杂ZnO薄膜的光学特性。结果表明,掺杂ZnO薄膜在360nm、380nm处出现主荧光峰,409nm、440nm处出现次荧光峰,而且随着N掺杂量的不同,主、次荧光峰-峰位和强度都会发生变化。当O_2∶N_2的体积流量比为15∶5时,薄膜中N含量最大,荧光谱中发光峰强度最佳,霍尔效应检测薄膜具有明显的p型导电特征。

关键词： p型掺杂光致发光(pL)谱磁控溅射受主杂质缺陷浓度红移蓝移

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氮化铟薄膜的p型掺杂和铁磁性研究进展

材料导报 2017年第7期31卷 54-58,64页

作者：李允怡王伟刘志军龚威解其云南京邮电大学电子科学与工程学院南京210023

Ⅲ族氮化物半导体材料(InN、GaN、AlN)由于能带结构的特殊性,使其在光电器件与微波等领域得到广泛应用。其中,研究和发展InN材料及器件已被公认是占领光电信息技术领域战略至高点的重要途径,InN材料的p型导电以及室温铁磁性研究更是成... 详细信息

Ⅲ族氮化物半导体材料(InN、GaN、AlN)由于能带结构的特殊性,使其在光电器件与微波等领域得到广泛应用。其中,研究和发展InN材料及器件已被公认是占领光电信息技术领域战略至高点的重要途径,InN材料的p型导电以及室温铁磁性研究更是成为Ⅲ族氮化物中新颖的研究课题。首先简单介绍InN的晶体结构和制备方法,并分析其目前所遇到的挑战,然后重点阐述国际上关于InN在p型掺杂以及铁磁性领域的研究进展,同时介绍本课题组在该方面的研究,最后进行了简要总结和展望。

关键词：氮化铟 p型掺杂铁磁性薄膜制备

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ZnO薄膜p型掺杂的研究进展

无机材料学报 2003年第1期18卷 11-18页

作者：叶志镇张银珠徐伟中吕建国浙江大学硅材料国家重点实验室杭州310027

ZnO是一种新型的II-VI族半导体材料,具有许多优异的性能.但由于ZnO存在诸多的本征施主缺陷(如空位氧Vo和间隙锌Zni),对受主产生高度自补偿作用,天然为n型半导体,难以实现p型转变.ZnO薄膜p型掺杂的实现是ZnO基光电器件的关键技术,也一直... 详细信息

ZnO是一种新型的II-VI族半导体材料,具有许多优异的性能.但由于ZnO存在诸多的本征施主缺陷(如空位氧Vo和间隙锌Zni),对受主产生高度自补偿作用,天然为n型半导体,难以实现p型转变.ZnO薄膜p型掺杂的实现是ZnO基光电器件的关键技术,也一直是ZnO研究中的主要课题,目前已取得重大进展,文章对此进行了详细阐述.

关键词：研究进展 ZnO薄膜 p型掺杂氧化锌半导体