In:Ga2O3氧化物半导体晶体的生长与性能研究

β-Ga₂O₃晶体是一种新型宽禁带氧化物半导体材料, 本征导电性差。为了在调控导电性能的同时兼顾高的透过率和结晶性能, 离子掺杂是一种有效的途径。采用光学浮区法生长出ϕ8 mm×50 mm蓝色透明In:Ga₂O₃晶体, 晶体具有较高的结晶完整性。In³⁺离子掺杂后, β-Ga₂O₃晶体在红外波段出现明显的自由载流子吸收, 热导率稍有减小。室温下, In:Ga₂O₃晶体的电导率和载流子浓度分别为4.94×10^-4 S/cm和1.005×10¹⁶ cm^-3, 其值高于β-Ga₂O₃晶体约1个数量级。In:Ga₂O₃晶体电学性能对热处理敏感, 1200℃空气气氛和氩气气氛退火后电导率降低。结果表明, In³⁺离子掺杂能够调控β-Ga₂O₃晶体的导电性能。     

缺陷对β-Ga2O3薄膜的结构和光学特性的影响

采用射频磁控溅射技术和后期退火在蓝宝石衬底上成功制备了β-Ga₂O₃薄膜。借助于X射线衍射(XRD)、拉曼散射光谱(Raman)、X射线光电子能谱(XPS)、以及二次离子质谱(SIMS)研究了缺陷对β-Ga₂O₃薄膜的结构和光学特性的影响。结果表明,未退火的Ga₂O₃薄膜呈现非晶态,随高温退火时间逐渐增加,非晶Ga₂O₃薄膜逐步转变为沿(-201)方向择优生长的β-Ga₂O₃薄膜。所有Ga₂O₃薄膜在近紫外到可见光区的平均透过率都高达95%,β相Ga₂O₃薄膜的光学带隙比非晶态薄膜增加~0.3 eV,且随退火时间的增加,β-Ga₂O₃薄膜的光学带隙也随之变宽。此外,发现非晶Ga₂O₃薄膜富含氧空位缺陷,高温退火处理后,β-Ga₂O₃薄膜中的氧空位浓度明显降低,但蓝宝石衬底中的Al极易扩散至Ga₂O₃薄膜层,并随退火时间的增加Al浓度明显增加,氧空位的降低和Al杂质的增加是导致β-Ga₂O₃薄膜光学带隙变宽的主要原因。     

NiO/Ga2O3 p+-n异质结功率二极管中陷阱介导双极型电荷输运研究(英文)

构筑NiO/Ga₂O₃ p+-n异质结是克服Ga₂O₃ p型掺杂瓶颈从而实现双极型功率电子器件的有效途径,然而限制器件性能的缺陷行为与双极型电荷输运等物理机制尚不明晰.本论文研究了NiO/Ga₂O₃ p⁺-n异质结中陷阱介导的载流子输运、俘获和复合动力学之间的内在关联特性.变温电流-电压特性的量化分析表明,在正偏亚阈值区,陷阱辅助隧穿占据主导地位,符合多数载流子陷阱介导的Shockley-Read-Hall复合模型,其陷阱激活能为0.64 eV,与深能级瞬态谱测试的陷阱能级位置(EC-0.67 eV)非常吻合;当正向偏压大于器件开启电压时,器件输运特性由少数载流子扩散所主导,器件理想因子接近于1.在反向偏置的高场作用下,器件漏电机制则由β-Ga₂O₃体材料中的陷阱引起的PooleFrenkel (PF)发射所导致. PF发射的势垒高度为0.75 eV,与等温变频深能级瞬态谱测得的陷阱能级位置...     

四面体掺杂尖晶石结构Co1-xRexCr2O4(Re=Li、Na、K、Rb)的电子结构和光学性质

采用基于密度泛函理论(DFT)的平面波超软赝势方法, 计算了CoCr₂O₄及Li、Na、K和Rb四面体掺杂CoCr₂O₄的基态结构、电子结构和光学性质。计算结果表明: 一价离子四面体掺杂都导致晶格有微小的畸变, 使体系的稳定性降低, Rb掺杂的体系最稳定; 电子态密度的计算结果表明: 掺杂体系的导带主要有Co-3d和Cr-3d轨道电子构成, 掺杂离子改变了CoCr₂O₄导带的电子结构, 主要引起了导带Co-3d态密度峰的下移, 随着掺杂浓度的增大, 费米能级进入价带更深; 光学性质计算表明: 掺杂体系的吸收光谱发生红移, 并在低能区有很强的吸收, 表明掺杂能极大地提高CoCr₂O₄对可见光的吸收和光催化效率。     

磁控溅射制备Nb掺杂IZO薄膜光电学性能研究

通过磁控溅射方法制备一种新型薄膜晶体管有源层材料Nb掺杂的氧化铟锌(IZO)非晶薄膜(a-INZO)。运用XRD、光致发光、Hall测试等检测方法分析INZO薄膜微观结构、缺陷状态以及电学性能。光致发光结果表明,INZO相较于Ga掺杂的IZO(IGZO)具有更低的深能级缺陷密度。Hall效应测试结果表明,通过调节溅射过程中氧气流量可有效控制INZO薄膜载流子浓度,使之适合于制备薄膜晶体管(TFT)器件。INZO薄膜迁移率随载流子浓度的变化规律符合渗流传导模型,载流子浓度较低时,迁移率随载流子浓度增加而增加;载流子浓度较高时,迁移率下降,光学数据的分析表明其带尾态宽度较大,结构更无序。提高溅射基底温度可有效提高迁移率,但对薄膜无序度的改善并不明显。     

氧控In2O3薄膜的光电性能

对比在控氧条件下制备态和退火态In₂O₃薄膜的微观结构和光电性能,分析两种状态中不同的氧作用机制。两种控氧行为都能够有效提高In₂O₃薄膜的晶格有序度和降低氧空位浓度,使其载流子浓度下降、迁移率提高和光学带隙变窄;等离子体制备过程中氧以高活性非平衡方式注入晶格,而退火时氧以低活性平衡态扩散的方式进入晶格;不同的氧作用机制使得退火态薄膜比制备态薄膜具有更少的结构缺陷、更高的氧空位浓度和更佳的透光导电性。     

共掺杂n型CVD金刚石薄膜的结构和性能

利用微波等离子体化学气相沉积(MPCVD)技术制备硫掺杂及硼/硫共掺杂n型金刚石薄膜,探讨n型CVD金刚石薄膜的特性和共掺杂机理.研究结果显示:随着单一硫(S)掺杂含量的增加,金刚石薄膜导电激活能降低,薄膜生长速率减小,薄膜中非金刚石结构相增多;硼/硫(B-S)共掺杂有利于增加硫在金刚石中的固溶度,提高硫在金刚石晶体中的掺杂率,降低金刚石薄膜的导电激活能(在0.26～0.33eV);与单一S掺杂相比较,B-S共掺杂金刚石薄膜生长速率低,薄膜质量和晶格完整性好;霍耳效应测试表明硫掺杂和硼/硫共掺杂金刚石薄膜具有n型导电特征,载流子浓度在1016-1018/cm3之间,载流子迁移率在7～80cm2V-1s-1之间.采用B-S共掺杂技术有利于提高CVD金刚石薄膜的晶格完整性,使得B-S共掺杂金刚石薄膜具有更高的载流子迁移率.     

具有室温铁磁性和高空穴迁移率的锰掺杂硅锗薄膜（英文）

本文采用超高真空化学气相沉积系统在锗衬底上外延生长了第IV族硅锗薄膜,然后通过离子注入和快速热退火进行锰元素掺杂.结构测试表明,外延的硅锗薄膜是具有均匀拉伸应变的单晶,随后的离子注入和快速热退火使其变为多晶.磁性测试表明,退火后的薄膜表现出依赖于锰掺杂浓度的铁磁性,居里温度最高可达309 K; X射线磁圆二色谱揭示了替代位锰元素的自旋和轨道磁矩.为最大限度地减少反常霍尔效应的影响,磁输运测试在高达31 T的强磁场下进行,该薄膜在300 K温度下空穴迁移率达到创纪录的～1230 cm²V^-1s^-1.此高迁移率归因于样品较高的结晶质量和拉伸应变对能带的调制.本文首次展示了具有室温铁磁性和高载流子迁移率的锰掺杂硅锗薄膜,有望促进基于第IV族半导体的自旋电子材料与器件的实际应用.     

无真空、低成本Mist-CVD外延制备高质量单晶NiO/Ga2O3 p-n异质结与器件(英文)

在氧化镓(Ga₂O₃)材料p型掺杂困难的背景下,Ga₂O₃ p-n异质结器件在氧化镓器件的应用中起着重要作用.因此,寻找一种高效、经济的制备方法制备Ga₂O₃异质结对器件应用具有重要意义.在这项工作中,我们成功基于低成本、无真空的雾化学气相沉积(Mist-CVD)外延制备了单晶氧化镍(NiO)和β-Ga₂O₃异质结.其中,NiO(111)和β-Ga₂O₃(-201)的XRD摇摆曲线半高宽分别为0.077°和0.807°.NiO与β-Ga₂O₃之间的能带表现为Ⅱ型异质结构.基于此异质结,我们制备了准垂直器件,器件具有明显的p-n结整流特性,反向击穿电压为117 V.本工作为β-Ga₂O₃异质p-n结的制备提供了一种低成本、高质量的方法.     

过渡金属Fe、Co掺杂二维CuI的第一性原理计算

基于第一性原理计算,利用OTFG方法计算了本征2D CuI、Fe以及Co掺杂后2D CuI的几何结构以及光电特性.计算结果表明2D CuI的能带结构带隙值为1.61 eV;Co掺杂在2D CuI中引入了两条浅施主能级以及两条深施主能级,从而增加了载流子的浓度;Fe掺杂后引入了2条施主能级,这意味着Fe掺杂不影响2D C...     

异层等价离子双掺杂策略优化BiCuSeO的热电性能

选取BiCuSeO双亚层超晶格热电材料为研究对象, 通过La、Ag单掺杂和双掺杂两种方式等价取代[Bi₂O₂]²⁺亚层和[Cu₂Se₂]^2-亚层中的Bi、Cu位点, 并对其热电输运性能和缺陷调控机理进行研究, 结果发现：La-Ag双掺杂可以结合两种单掺杂的优势, 在适度提升载流子浓度的同时保持与纯样相当的载流子迁移率, 从而使电导率得到大幅度的提升。与此同时, La-Ag双掺杂可以引发能带收敛效应, 有助于同步获得较高的载流子迁移率和Seebeck系数, 最终使PF得到了优化; 另一方面, 由于点缺陷对载热声子的强烈散射作用, 样品的晶格热导率和总热导率进一步降低, 使最终ZT值也得到了优化。结果, La-Ag双掺杂样品的ZT值在755 K下达到0.46, 高于原始纯样(ZT=0.27)和单掺杂样品。该项研究表明La、Ag异层等价双掺杂策略可以实现BiCuSeO热电输运参数的协同调控与优化。     

β-Ga2O3/p-SiNWs异质结光学特性与电学性质研究

氧化镓(Ga₂O₃)是一种宽禁带的半导体材料,超大的禁带宽度(4.9eV)、较高击穿电场强度和高热稳定性,使其成为一种很有应用前景的材料。本文以p型硅纳线阵列(p-SiNWs)为衬底,使用磁控溅射法制备了β-Ga₂O₃/p-SiNWs异质结,探究了其光学与电学性质。与纯Si相比,p-SiNWs表现出优良的“陷光”特性,其反射系数约为纯Si的1/6,且随着p-SiNWs长度的增加,反射系数逐渐降低。室温下光致发光光谱(PL)测试发现,异质结在551nm附近出现典型的绿色发射峰。β-Ga₂O₃/p-SiNWs异质结具有明显的整流特性,在V=1.40V时其整流系数高达1724,随着p-SiNWs长度增加异质结理想因子逐渐增加,最佳理性因子为1.98。通过计算logI-logV图对其电荷传输机制进行了探究。退火可以提高β-Ga₂O₃薄膜的结晶度,从而提高异质结的电学特性。     

掺杂SnO2透明导电薄膜电学及光学性能研究

通过实验测量 ｓｏｌ－ｇｅｌ工艺制备的 Ｓｂ掺杂 ＳｎＯ２薄膜载流子浓度、迁移率、电阻率、膜厚,紫外－可见光区透射率、反射率等性质,详细研究了Ｓｂ掺杂ＳｎＯ_２薄膜电学与光学性能．实验发现,薄膜具有良好的透光性和较高导电性,膜内载流子浓度高达１０^２０ｃｍ^－３,电阻率～１０^－２Ω·ｃｍ,透光率高达 ９０％,ＳｎＯ_２膜禁带宽度 Ｅ_ｇ≈３７～３．８０ｅＶ．     

钛掺杂三氧化钨薄膜结构与电致变色性能研究

通过射频溅射法, 常温下制备了纯相WO₃和Ti掺杂WO₃薄膜, 采用XRD、SEM、Raman、电化学工作站、紫外-可见-近红外分光光度计等对薄膜的微观结构、循环稳定性、光学性能进行了表征和分析。研究发现: 钛掺杂对WO₃薄膜的表面形貌和光学常数影响不明显, 但使薄膜的晶化温度升高。电化学测试结果表明, Ti掺杂可以提高离子在薄膜中注入/抽出的可逆性, 提高薄膜的循环稳定性, 同时薄膜的响应速度和光学调制性能也得到提高, 掺杂后薄膜着色态和漂白态的响应时间分别由9.8、3.5 s减小为8.4、2.7 s, 因此Ti掺杂WO₃薄膜具有更好的电致变色性能。     

Ge掺杂对TiO2-Nb2O5-CaCO3压敏陶瓷结构及性能的影响

TiO₂ 压敏电阻是一种典型的非线性电流-电压电子器件, 本文研究了Ge掺杂对TiO₂-Nb₂O₅-CaCO₃压敏陶瓷的非线性系数α和压敏电压E_B的影响。采用传统的球磨-成型-烧结方法成功制备Ge掺杂TiO₂-Nb₂O₅-CaCO₃压敏陶瓷, 用压敏直流参数仪测试样品的非线性系数α、压敏电压E_B和漏电流J_L等电学性质, 并根据相关公式计算样品平均势垒高度。XRD、XPS、SEM和STEM分析表明, Ge掺杂显著改变TiO₂-Nb₂O₅ -CaCO₃压敏陶瓷微结构, 提高非线性系数α和减小压敏电压E_B。当施主Nb₂O₅和受主CaCO₃掺杂浓度分别为0.5mol%时, 掺杂1.0mol% Ge的压敏陶瓷获得了最高的非线性系数和较低的压敏电压(α=10.6, E_B=8.7 V/mm), 明显优于不掺杂Ge的TiO₂-Nb₂O₅-CaCO₃压敏陶瓷。此外, Ge熔点较低, 作为烧结助剂可以降低陶瓷的烧结温度, TiO₂-Nb₂O₅-CaCO₃-Ge压敏陶瓷最佳烧结温度是1300℃。     

实验优化设计中频反应溅射Al2O3:Ce薄膜发光性质研究

为了得到最优发光的薄膜材料成分参数,采用均匀设计和二次通用旋转组合设计相结合的方法建立发光强度与薄膜中氧含量和Ce³⁺ 离子掺杂浓度的回归方程,并用遗传算法求其取最大值时的解。用中频反应磁控溅射技术制备了相应成分的Al₂O₃:Ce非晶薄膜。在320nm光激发下,获得了较理想的发射光谱,对薄膜发光机理分析表明:薄膜的光致发光来自于Ce³⁺ 离子的5d1激发态向基态4f1的两个劈裂能级的跃迁。发光强度强烈的依赖于薄膜的掺杂浓度和氧元素含量。XPS检测表明,Al₂O₃:Ce薄膜中存在Ce³⁺ 。Ce³⁺ 含量和薄膜的化学成分是通过X射线散射能谱(EDS)测量的。薄膜试样的晶体结构应用X射线衍射分析。     

MOCVD同质外延生长的单晶β-Ga2O3薄膜研究

采用金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,在(010)Fe掺Ga₂O₃半绝缘衬底上进行同质外延生长Ga₂O₃薄膜,系统性地研究了生长温度(880℃/830℃/780℃/730℃)和生长压强(80/60/40/20 Torr)对外延薄膜表面形貌、晶体质量以及电学特性等的影响。结果表明随着生长温度和压强的增加：薄膜生长速率分别呈现出略微增加和大幅下降的趋势;薄膜表面阶梯束(step bunching)的生长方式逐渐增强,并且呈现出沿着[001]晶向生长的柱状晶粒;高分辨X射线衍射(XRD)扫描显示薄膜均只在(020)面存在衍射峰,表明生长的薄膜为纯β相单晶薄膜,且半高宽可达到45.7 arcsec;霍尔测试表明780℃和60 Torr的生长条件下薄膜的室温电子迁移率最高。本文为基于MOCVD的Ga₂O₃同质外延生长提供了系统的参数指导,为高质量Ga₂O₃薄膜的制备奠定了基础。     

锂离子电池负极材料钼掺杂钛酸锂的制备及电化学表征

采用固相合成法制备了钽掺杂材料Li₄Ti_4.95Mo_0.05O₁₂. 通过XRD和SEM来表征Li₄Ti_4.95Mo_0.05O₁₂的结构和形貌. 结果表明: 钼掺杂并没有改变本体材料的结构和形貌, 而且显著提高了材料的循环性能和倍率性能. Li₄Ti_4.95Mo_0.05O₁₂在10C和30C倍率的放电容量分别为117.03和94.24mAh/g.Mo掺杂取代了Li₄Ti₅O₁₂中的Ti位置, 产生了Ti⁴⁺/Ti³⁺混合价态, 从而提高了钛酸锂的电导率. 所以Li₄Ti_4.95Mo_0.05O₁₂是一种高倍率性能优异的锂离子电池负极材料.     

稀土Y元素掺杂对PrBaCo2O5+δ陶瓷热电性能影响

利用传统陶瓷烧结工艺制备出不同浓度稀土Y元素掺杂PrBaCo₂O_5+δ氧化物热电陶瓷,采用XRD和热电材料性能测试系统等设备研究了稀土Y元素掺杂对PrBaCo₂O₅氧化物热电陶瓷晶体结构、热电性能的影响。测试结果表明：Pr_1-xY_xBaCo₂O_5+δ热电陶瓷均为双层钙钛矿结构,没有形成新的杂相;在测试温度范围内,Pr_1-xY_xBaCo₂O_5+δ(x=0,0.25,0.5,0.75)热电陶瓷的Seebeck系数均为正值,表明该材料导电载流子为以空穴,为p型半导体;稀土Y元素掺杂可以明显提高Pr_1-xY_xBaCo₂O_5+δ热电陶瓷的电导率,与电导率相反,稀土元素Y掺杂的导致Pr_1-xY_xBaCo     

硼磷共掺杂n型金刚石薄膜的Hall效应、红外光谱和EPR研究

用离子注入方法,在CVD金刚石薄膜中共注入硼离子和磷离子,得到了电阻率较低的n型金刚石薄膜。Hall效应测试表明,800℃退火后,在注入的磷离子剂量相同的情况下,共注入硼的金刚石薄膜的载流子浓度与单一掺磷的相近,但Hall迁移率高,电阻率低。FTIR结果表明B-H结的形成钝化了硼的受主特性,使磷的施主特性没有被补偿,共掺杂薄膜中载流子浓度没有大幅度减少。EPR和Raman测试结果证实了较高温度退火后的共掺杂薄膜的晶格结构比单掺杂薄膜的更完整,从而有利于提高载流子迁移率,降低电阻率。