尖晶石型复合金属氧化物的电子性能研究

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1、分类号学校代码10590UDC密级公开深圳大学硕士学位论文尖晶石型复合金属氧化物的电子性能研究学位申请人姓名罗怡韵专业名称电子科学与技术学院（系、所）光电工程学院指导教师姓名偰正才研究员尖晶石型复合金属氧化物的电子性能研究摘要随着电子信息技术的迅猛发展，人们对视觉品质的追求越来越高，新的显示技术层出不穷。薄膜晶体管（Thin-filmtransistor，TFT）作为当前主流显示技术有源矩阵驱动电路中的核心元件，是推动显示技术进一步发展的关键要素。近年来，非晶氧化物半导体薄膜晶体管（AOS-TFT）由于其具有迁移率高、可见光区透明、稳定性好、可低温

2、制备等优势受到广泛关注，被认为是最具发展潜力的下一代TFT技术。然而，目前对于非晶氧化物半导体（AOS）材料的导电机制仍然众说纷纭，有待进一步的研究。基于此，本论文利用基于密度泛函理论的第一性原理的方法，首次提出对MgSnAlO（MTAO）系复合金属氧化物半导体材料的电子性能进行理论探索。本文所开展的研究工作和结果主要包括以下几个方面：1.采用基于密度泛函理论（DFT）的第一性原理计算方法，研究了本征态正尖晶石型MgAl2O4和Mg2SnO4的几何结构和电子结构（能带结构、态密度分布、Mulliken布居分布以及差分电荷密度），并通过与其他相关文献

3、的结果进行对比，验证了本文计算结果的可靠性。2.研究了Sn以不同浓度替位掺杂MgAl2O4形成的MTAO体系的几何结构和电子结构。计算结果表明：随着掺杂浓度的增加，Sn对体系性能的影响逐渐增强。无论Sn替位Mg还是Al，均会使得晶胞的晶格常数变大，但整体依然是尖晶石结构。Sn替位掺杂后其能带结构和态密度分布整体向低能态的方向移动，并在禁带中央引入一条由Sn-5s态构成的施主杂质能级，但该能级属于深能级，容易成为电子-空穴对的复合中心。此外，Sn替位掺杂MgAl2O4后导带部分电子局域性减弱，但导带底电子有效质量增大，载流子迁移率降低。因此，Sn替位

4、掺杂MgAl2O4形成的MTAO体系依然保持较好的绝缘性能，同时也说明MgAl2O4不易受Sn杂质的影响，可考虑作为MTAO-TFT的绝缘层。3.研究了Al以不同浓度替位掺杂Mg2SnO4形成的MTAO体系的几何结构和电子结构。计算结果表明：在Mg2SnO4中替位掺入Al杂质会使得晶胞晶格常数变小，但整体依然是尖晶石结构。AlSn结构的能带结构和态密度分布整体相对费米能级略有下降，禁带宽度略有增大，但随着Al杂质浓度的增加，价带顶逐渐向费米能级靠近。此外，Al替位Sn后价带顶和导带底的电子局域性减弱，且I尖晶石型复合金属氧化物的电子性能研究Al-O

5、形成较强的共价键，有利于电子的转移。AlMg结构的能带结构和态密度分布整体向低能态方向移动，且费米能级进入导带，表现出典型的n型导电特性，在Al-3p态的作用下导带部分电子局域性减弱，容易形成导电通道。总的来说，Al替位掺杂Mg2SnO4形成的MTAO体系有望获得良好的导电性能，可考虑作为MTAO-TFT的有源层。关键词：薄膜晶体管；第一性原理计算；金属氧化物半导体；MgSnAlOIIStudiesontheelectronicpropertiesofspineltypecomplexmetaloxideAbstractWiththerapidde

6、velopmentofelectronicinformationtechnologies,peoplearedemandingforhigherandhighervisualquality,therefore,alargenumberofnewdisplaytechnologiesemergeendlessly.Thin-filmtransistor,asakernelcomponentinactivematrixdrivedcircuitsincurrentmainstreamdisplaytechnologies,isakeyelementto

7、boostdisplaytechnologyforfurtherdevelopment.Recently,amorphousoxidesemiconductorthinfilmtransistor(AOS-TFT)havebeenwidelyrecognizedasthemostpromisingandnextgenerationTFTtechnologycontributingtoitsexcellentperformance,suchashighmobility,transparentinthevisibleregion,greatstabil

8、ity,lowtemperaturepreparationandsoon.However,uptopresent,thec