InxAl1-xN材料的掺杂及其吸附性能理论研究

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1、？？ＴＮ３０４：分类号．２学校代码１０６９７密级：公开学号；２０１５２０９１７ＮｏｒｔｈｗｅｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ士字位论文ＭＡＳ’ＴＥＲＳＤＩＳＳＥＲＴＡＴＩＯＮＩｉＵｌ＾Ｎ材料的掺杂及其吸附性能理论研究学科名称：物理电子学作者：李好婷指导老师：王雪文教授负江规副教授西北大学学位评定委员会二〇一八年六月TheoryStudyontheDopingofInxAl1-xNandItsAdsorptionPropertiesAthesissubmittedtoNorthwestUn

2、iversityinpartialfulfillmentoftherequirementsforthedegreeofMasterinPhysicalElectronicsByLiTingtingSupervisor:WangXuewenProfessorJune2018摘要InxAl1-xN作为Ⅲ-Ⅴ族氮化物系列中一种禁带宽度可调范围最大的合金材料，禁带宽度可从0.7eV（InN）到6.2eV（AlN）内连续可调，发光波长能够从200nm（AlN）到1770nm（InN）变化，覆盖红外到紫外波段。InxAl1-xN具有临界击穿电压高，导热系数

3、高，能抵抗强辐射以及化学性质稳定等优点，使其在高功率、高频电子设备及传感器中有着潜在的应用。利用基于第一性原理MaterialStudio软件研究组分可调的InxAl1-xN（x=0，x=0.25，x=0.5，x=0.75，x=1）合金。结果表明：InxAl1-xN（x=0，x=0.25，x=0.5，x=0.75，x=1）合金均为直接带隙，随着In组分x增加，晶胞体积变大，且晶格常数遵循Vegard变化规律；光学曲线显示，随着x的增大：主能量峰从9.58eV向4.96eV低能量方向红移，从而证明了InxAl1-xN的电子之间跃迁能力比AlN好；

4、介电常数增加；吸收光谱移至长波方向，即“红移”；能量损失函数强度减小，且逐渐移至低能方向。首先，对本征InxAl1-xN（x=0，x=0.25，x=0.5，x=0.75，x=1）合金进行Mg、Si、O掺杂。研究结果发现，Mg掺杂能使InxAl1-xN材料变为p型半导体，Mg替位式掺杂In（Mg-In掺杂）比Mg替位式掺杂Al（Mg-Al掺杂）更稳定，且抗损耗能力强，光学吸收效果好，但是在形成P型半导体方面Mg-Al效果更好。Si掺杂有利于InxAl1-xN变为n型半导体，Si-In掺杂比Si-Al掺杂更能稳定存在，但Si-Al抗损耗能力强，光学

5、吸收效果好，更有力于形成n型半导体。同样，O掺杂能使InxAl1-xN为n型半导体，且导电性提高，O-Al掺杂与O-In掺杂使费米能级附近存在两条杂质态能级，但是O-N较O-In，O-Al更易形成，更能提高InxAl1-xN的导电性能，且在可见光区域的光吸收效果强，说明O-N更有利于形成n型半导体。同时发现，制备n型InxAl1-xN比p型所需能量低且易制备。其次，研究O2、H2吸附在InxAl1-xN（x=0.5）的（0001）面不同位置的吸附能、电荷转移等吸附性质。对于O2吸附，吸附最稳定的位置为中心位，当周围In原子数多于Al原子数时，电

6、荷转移量最多；O原子会与表面In、Al原子成键，使得InxAl1-xN材料表面形成氧化层，O2吸附能够削弱表面态。H2吸附最稳定的位置也为中心位，但H原子没有与表面的N原子有电荷转移，说明H2与表面没有交互作用，为物理吸附，I并且H2吸附表面时并没有削弱表面态。最后，研究O2吸附Mg掺杂InxAl1-xN（x=0.5）表面，无论是Mg-Al还是Mg-In掺杂，均形成稳定的化学吸附，且Mg-In吸附能明显提升。Mg掺杂能够提高InxAl1-xN和O2之间的电荷传递，从而改进电荷在两者中的输运能力，更有效地增强InxAl1-xN与O2的交互作用。关

7、键词:InxAl1-xN材料，第一性原理，掺杂，电荷转移，表面态IIABSTRACTInxAl1-xNisoneofthealloymaterialswiththelargestbandgapwidthinadjustablerangeIII-Vnitridesfamily,whichcanbecontinuouslychangefrom0.7eV(InN)to6.2eV(AlN)withwavelengthrangingfrom200nm(AlN)to1770nm(InN),coveringtheinfraredtoultravioletba

8、nd.InxAl1-xNhastheadvantagesofhighcriticalbreakdownvoltage,highthermalcondu