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应变ZnO能带结构研究

【摘要】:ZnO基(应变)量子阱(QW)、(应变)超晶格(SL)及应变补偿多量子阱(SCMQW)等异质结应变结构在激光器、光探测器、长波长光通信系统和高速电子器件以及硅基单片光电集成等方面有着重要的潜在应用价值,是当前国内外关注的研究领域和研究发展重点之一。现有研究对与应变ZnO材料能带结构相关的电学及光学特性鲜有报道,因此,深入研究应变ZnO能带结构对于发展高性能光电器件与电路具有重要的理论意义和应用价值。ZnO的能带结构会随应力场作用发生改变,进而影响材料的电学和光学特性。论文通过建立双轴应变ZnO的能带结构模型以及掺杂致应变ZnO模型,较系统、全面地描述能带以及电子和空穴有效质量与应变度的关系,为认识应变ZnO材料的物理属性以及在ZnO基应变器件(尤其是超晶格、量子阱)设计中选择应力方式及强度等提供理论依据。本论文的主要研究内容及成果概括为以下三个部分:1.论文以弛豫Znl-xMgxO衬底上外延生长的应变ZnO为研究对象,基于Luttinger-Kohn和Bir-Pikus价带kp哈密顿模型,推导获得了应变ZnO材料价带E-k表达式以及价带空穴沿不同晶向的有效质量表达式,揭示了ZnO三个价带能级在应力作用下发生移动;同时获得了未应变ZnO和应变ZnO/Zn0.7Mg0.3O材料“轻空穴”带、“重空穴”带及场致分裂带的二维等能线,研究了应力作用下电子和空穴有效质量的变化规律。研究结果表明:应力未引起“轻空穴”带和“重空穴”带沿[00k]和[k00]晶向的空穴有效质量发生显著变化,而场致分裂带沿[00k]和[k00]晶向的空穴有效质量在应力作用下有明显减小。研究所得的应变ZnO材料价带E-k解析表达式和相关重要的量化物理参量,可为应变ZnO材料的应用研究提供重要的依据。2.基于应变张量理论,研究建立了适用于密度泛函理论第一性原理平面波规范-守恒赝势方法的应变ZnO物理参数模型。首先建立了未应变ZnO与不同Mg组分表征的应变ZnO/Zn1-xMgxO结构模型,利用密度泛函理论第一性原理在提取了应变ZnO导带、价带结构的基础上获得了其有效质量的量化模型,同时探讨了利用CASTEP软件分析应变ZnO/Znl-x MgxO能带结构及光学特性的方法,获得了应变ZnO能带结构、有效质量以及光学反射率和折射率与应变度的理论关系,并利用所得结果与K?P理论分析结果进行对比,为应变ZnO材料电子和空穴有效质量的分析提供了又一种有效手段;在应变ZnO/Znl-x MgxO计算模型的基础上,进一步建立了Nb掺杂ZnO/Znl-xMgxO模型,研究了衬底对掺杂ZnO材料的能带及有效质量的影响。本研究采用CASTEP软件,其应用简便研究结果可靠,为应变Zn O材料能带结构及相关物理参数的研究分析提供了有效手段,同时也为同类材料的应力作用模型分析提供了参考。3.掺杂也是应力引入的主要形式,基于密度泛函第一性原理,论文建立了Al单掺杂和Al-Sn共掺杂应变ZnO模型,分析了掺杂致应力作用下ZnO体系的晶体结构、能带结构及有效质量等电学特性,同时结合实验比对计算并讨论了应变体系的介电函数、吸收光谱、反射光谱等光学特性。研究结果表明:纯ZnO、Zn0.9375Al0.0625O和Zn0.875Al0.0625Sn0.0625O三个体系的杂质结合能Ef逐次降低,表明在纤锌矿ZnO中Al、Sn共掺杂相对于Al单掺杂更容易实现;相对于未掺杂ZnO,Al单掺杂和Al-Sn共掺杂都具有较小的电子和空穴有效质量,表明该种掺杂具有较高的载流子迁移率和较低的电离能,是较理想的掺杂选择;此外,Al-Sn共掺杂ZnO在波长为300 nm处出现一个新的超紫外吸收峰值,超紫外光吸收值增加,此外Al-Sn共掺杂ZnO的反射率和吸收率均大于未掺杂ZnO的反射率和吸收率,其可见光区域平均光透射率显著减小。所得解析模型,研究结果扩展了本文研究成果的应用范围,为应变ZnO材料电学和光学特性的应用及器件性能的设计与优化研究奠定了基础。

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