Al掺杂对Mg_2Si介电性质影响的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法,计算了本征Mg_2Si和Al掺杂Mg_2Si的形成能、电子结构和介电函数.结果表明,Al掺杂Mg_2Si后,Al以替位杂质(Al替Mg位,即AlMg)或填隙杂质(Al位于晶胞间隙位,即Ali)的形式进入Mg_2Si晶格.费米能级进入导带,体系呈n型导电.掺杂后体系的介电函数的实部和虚部在低频时比未掺杂时均增大,主要是由于晶格中的施主杂质Al离子束缚着附近的过剩电子,在外加交变电场的作用下,束缚在Al离子周围的电子要克服一定的势垒不断地往复运动造成松弛极化和损耗.另外,掺杂体系相对于未掺杂体系,介电函数的虚部在0.5 eV附近出现了一个额外的介电峰,该峰主要是由电子从价带跃迁到Al杂质能级引起的.计算结果为Mg_2Si基光电子器件的设计和应用提供了理论依据.     

Sc、Ce掺杂CrSi2的电子结构与光学性质的第一性原理

采用基于密度泛函理论的第一性原理赝势平面波方法对Sc、Ce单掺和共掺后CrSi₂的几何结构、电子结构、复介电函数、吸收系数和光电导率进行了计算。结果表明:Sc、Ce掺杂CrSi₂的晶格常数增大,带隙变小。本征CrSi₂的带隙为0.386 eV,Sc、Ce单掺及共掺CrSi₂的禁带宽度分别减小至0.245 eV、0.232 eV、0.198 eV,费米能级均向低能区移动进入价带。由于Sc的3d态电子和Ce的4f态电子的影响,Sc、Ce掺杂的CrSi₂在导带下方出现了杂质能级。掺杂后的CrSi₂介电函数虚部第一介电峰峰值增加且向低能方向移动,说明Sc、Ce掺杂使得CrSi₂在低能区的光跃迁强度增强,Sc-Ce共掺时更明显。Sc、Ce掺杂的CrSi₂吸收边在低能方向发生红移,在能量大于21.6 eV特别是在位于31.3 eV的较高能量附近,本征CrSi₂几乎不吸收光子,Sc单掺和Sc-Ce共掺CrSi₂吸收光子的能力有所增强,并在E=31.3 eV附近形成了第二吸收峰。说明掺杂Sc、Ce改善了CrSi₂对红外和较高能区光子的吸收。在小于3.91 eV的低能区掺杂后的CrSi₂光电导率增加。在20.01 eV<E<34.21 eV时,本征CrSi₂光电导率为零,但Sc、Ce掺杂后的体系不为零,掺杂拓宽了CrSi₂的光响应范围。研究结果为CrSi₂基光电器件的应用与设计提供了理论依据。     

Lu掺杂AlN的电子结构和光学性质的第一性原理研究

为了探索 AlN在光电器件中的潜在应用,采用第一性原理计算了不同 Lu掺杂浓度(以原子分数 x表示)的 AlN(Al_1-xLu_xN)的电子结构和光学性质。研究结果表明,Al_1-xLu_xN的超胞体积随着Lu掺杂浓度的增加而增加,而带隙则相反。Al_1-xLu_xN的静态介电常数在低能区随掺杂浓度的提高而提高,随后逐渐趋向一致。随着Lu掺杂浓度的增加,反射率和吸收系数的峰值强度降低,峰值向较低能量方向移动。Al_1-xLu_xN的能量损失光谱表现出明显的等离子体振荡特性,且峰值低于本征AlN。Al_1-xLu_xN的光电导率在低能区随能量的增加而急剧增加。     

原位退火温度对Mg_2Si薄膜结构及方块电阻的影响

采用磁控溅射法和原位退火工艺在钠钙玻璃衬底上制备Mg_2Si半导体薄膜.首先在钠钙玻璃衬底上依次溅射一定厚度的Si、Mg薄膜,冷却至室温后原位退火4h,在400~600℃退火温度下制备出一系列Mg_2Si薄膜样品.采用X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)对Mg_2Si薄膜样品的晶体结构和表面形貌进行表征,利用四探针测试仪测试薄膜样品的方块电阻,讨论了原位退火温度对Mg_2Si薄膜结构、表面形貌及电学性能的影响.结果表明,采用原位退火方式成功在钠钙玻璃衬底上制备出单一相的Mg_2Si薄膜,退火温度为550℃时,结晶度最好,连续性和致密性最强,方块电阻最小.这对后续Mg_2Si薄膜器件的设计与制备提供了重要的参考.     

In_(0.53)Ga_(0.47)As/InP雪崩光电二极管响应及电学特性

通过分子束外延生长和开管式Zn扩散方法,制备了低暗电流、宽响应范围的In_(0.53)Ga_(0.47)As/InP雪崩光电二极管.在0.95倍雪崩击穿电压下,器件暗电流小于10nA;-5V偏压下电容密度低至1.43×10~(-8) F/cm~2.在1 310nm红外光照及30V反向偏置电压下,雪崩光电二极管器件的响应范围为50nW~20mW,响应度达到1.13A/W.得到了电荷层掺杂浓度、倍增区厚度结构参数与击穿电压和贯穿电压的关系:随着电荷层电荷密度的增加,器件贯穿电压线性增加,而击穿电压线性降低;电荷层电荷面密度为4.8×10~(12)cm~(-2)时,随着倍增层厚度的增加,贯穿电压线性增加,击穿电压增加.通过对器件结构优化,雪崩光电二极管探测器实现25V的贯穿电压和57V的击穿电压,且具有低暗电流和宽响应范围等特性.     

稀土元素Sc、Tm掺杂GaSb的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论(DFT)的第一性原理计算方法研究了本征GaSb以及稀土元素Sc、Tm掺杂后的GaSb的电子结构和光学性质.计算结果表明：Sc、Tm掺杂后GaSb仍为直接带隙的P型半导体. Sc掺杂后GaSb在导带中诱导了浅能级缺陷态,带隙变窄. Tm掺杂后GaSb在导带中诱导了深能级缺陷态,带隙变宽. Sc、Tm掺杂后使能量损失减小并且均增强了GaSb对中红外波段光子的吸收,其中Sc掺杂效果更佳,在4.3μm(0.28 eV)处存在吸收峰,峰值为1.7×10~5 cm^-1,且直到波长为6.8μm(0.18 eV)时,光吸收系数仍能达到1×10~5 cm^-1.计算结果为拓展GaSb基半导体材料在红外探测器、红外半导体激光器等领域的应用提供理论参考.     

P和As掺杂Mn4Si7第一性原理计算

采用第一性原理计算方法,对本征Mn₄Si₇以及P和As掺杂的Mn₄Si₇的电子结构和光学性质进行计算解析。计算结果表明本征Mn₄Si₇是带隙值为0.810 eV的间接带隙半导体材料,P掺杂Mn₄Si₇的带隙值增大为0.839 eV,As掺杂Mn₄Si₇的带隙值减小为0.752 eV。掺杂使得Mn₄Si₇的能带结构和态密度向低能方向移动,同时使得介电函数的实数部分在低能区明显增大,虚数部分几乎全部区域增加且8 eV以后趋向于零。此外掺杂还增加了高能区的消光系数、吸收系数、反射系数以及光电导率,明显改善了Mn₄Si₇的光学性质。     

氮缺陷对GaN/g-C3N4异质结电子结构和光学性能影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了单层GaN、g-C₃N₄、GaN/g-C₃N₄异质结及3种氮缺陷GaN/g-C₃N₄-V_XN(X=1、2、3)异质结的稳定性、电子结构、功函数及光学性能。计算结果表明,GaN/g-C₃N₄异质结体系晶格失配率极低(0.8%),属于完全共格。与单层g-C₃N₄相比,GaN/g-C₃N₄和GaN/g-C₃N₄-V_XN(X=1、2、3)异质结的导带向低能方向偏移,价带上移,从而导致带隙减小,且态密度均显示出轨道杂化现象。GaN/g-C₃N₄和GaN/g-C₃N₄-V_XN(X=1、2、3)异质结在界面处均形成了电势差,在其内部形成了从g-C₃N₄层指向GaN层的内置电场。GaN/g-C₃N₄-V_1N异质结的界面电势差值最大且红移现象最为明显,表明GaN/g-C₃N₄-V_1N异质结相较其他2个N缺陷异质结光学性能最好。氮缺陷的引入在不同程度上提高了GaN/g-C₃N₄异质结在红外光区域的光吸收能力。     

稀土元素(Ce/Pr/Nd)掺杂Mn_4Si_7的第一性原理计算

利用第一性原理,对稀土元素Ce、Pr或Nd掺杂Mn_4Si_7前后的几何结构、电子结构和光学性质进行了计算与分析.结果表明,掺杂后Mn_4Si_7晶格常数变大,禁带宽度明显减小,由于稀土元素特殊的4f层电子的影响,在费米能级附近出现了杂质能级.掺杂后Mn_4Si_7的介电函数虚部、吸收系数的主峰均出现红移,红外光区的光跃迁强度明显增强,光吸收系数和光电导率均增大.说明掺杂稀土元素Ce、Pr或Nd后改善了Mn_4Si_7在红外光区的光电性能.     

氮缺陷对GaN/g-C3N4异质结电子结构和光学性能影响的第一性原理研究

基于密度泛函理论下的第一性原理平面波超软赝势方法,研究了单层GaN、g-C₃N₄、GaN/g-C₃N₄异质结及3种氮缺陷GaN/g-C₃N₄-V_XN （X=1、2、3）异质结的稳定性、电子结构、功函数及光学性能。计算结果表明,GaN/g-C₃N₄异质结体系晶格失配率极低（0.8%）,属于完全共格。与单层g-C₃N₄相比,GaN/g-C₃N₄和GaN/g-C₃N₄-V_XN （X=1、2、3）异质结的导带向低能方向偏移,价带上移,从而导致带隙减小,且态密度均显示出轨道杂化现象。GaN/g-C₃N₄和GaN/g-C₃N₄-V_XN （X=1、2、3）异质结在界面处均形成了电势差,在其内部形成了从g-C₃N₄层指向GaN层的内置电场。GaN/g-C₃N₄-V_1N异质结的界面电势差值最大且红移现象最为明显,表明GaN/g-C₃N₄-V_1N异质结相较其他2个N缺陷异质结光学性能最好。氮缺陷的引入在不同程度上提高了GaN/g-C₃N₄异质结在红外光区域的光吸收能力。