Cd:O共摻雜AlN的電子結(jié)構(gòu)與p型特性：理論與實(shí)證研究一、引言1.1研究背景與意義在現(xiàn)代半導(dǎo)體材料的研究領(lǐng)域中，氮化鋁（AlN）以其獨(dú)特而卓越的物理性質(zhì)，成為了眾多科研工作者關(guān)注的焦點(diǎn)，展現(xiàn)出了極為廣闊的應(yīng)用前景。AlN作為一種重要的III-V族化合物半導(dǎo)體材料，擁有約6.1-6.2eV的寬帶隙，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了硅（約1.1eV）的帶隙寬度。較大的帶隙使得AlN在常溫下具備良好的絕緣性，同時(shí)決定了其在半導(dǎo)體特性方面的諸多優(yōu)勢(shì)，如可在深紫外區(qū)域發(fā)光，這一特性使其在紫外發(fā)光二極管（UVLEDs）中得到了廣泛應(yīng)用，成為某些光電器件的理想基板材料。此外，AlN還具有出色的壓電特性，作為典型的壓電材料，在受到機(jī)械應(yīng)力時(shí)會(huì)產(chǎn)生電壓，反之施加電場(chǎng)時(shí)會(huì)發(fā)生形狀變化，且是無(wú)鉛壓電材料，在高頻應(yīng)用中因較低的機(jī)械損耗和高品質(zhì)因子（Q值）而備受青睞。其硬度高，摩氏硬度大約為3-4，接近氮化硅（Si?N?），能夠在高磨損環(huán)境中持續(xù)使用；穩(wěn)定性好，熔點(diǎn)大約為2200°C，在低于熔點(diǎn)的溫度下，對(duì)大多數(shù)化學(xué)腐蝕劑和高溫環(huán)境都表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性；還具有高達(dá)321W/(m?K)的高導(dǎo)熱率，這對(duì)于解決電子器件的散熱問(wèn)題具有重要意義。在實(shí)際應(yīng)用中，AlN的身影遍布多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。在半導(dǎo)體行業(yè)，它作為封裝基板材料，可以有效降低芯片工作時(shí)的熱阻，提高器件的可靠性和壽命，同時(shí)在高頻功率器件、LED襯底材料、激光二極管散熱等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。在電子組件領(lǐng)域，AlN被用于光學(xué)器件和壓電器件，如作為光學(xué)器件的散熱底座，以及制造壓電器件應(yīng)用于航空航天、精密儀器等領(lǐng)域。在工業(yè)材料方面，憑借高硬度和耐磨性成為理想的研磨和切割工具材料，還可用于制造防彈裝備。在聲學(xué)器件領(lǐng)域，如超聲波換能器，AlN換能器具有高功率、高效率、小尺寸等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、工業(yè)檢測(cè)等領(lǐng)域。然而，要充分發(fā)揮AlN的性能優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)其在更多高性能器件中的應(yīng)用，p型摻雜是一個(gè)關(guān)鍵且亟待突破的難題。對(duì)于半導(dǎo)體材料而言，通過(guò)摻雜來(lái)調(diào)節(jié)其導(dǎo)電特性，實(shí)現(xiàn)n型或p型導(dǎo)電，是制備高性能光電子或微電子器件的基礎(chǔ)。在AlN材料體系中，實(shí)現(xiàn)高效的p型摻雜面臨著重重挑戰(zhàn)。一方面，受主雜質(zhì)在AlN中往往具有深摻雜能級(jí)，這導(dǎo)致了較高的激活能，使得受主雜質(zhì)難以有效地釋放空穴，限制了p型載流子的濃度；另一方面，高形成焓使得摻雜劑在AlN中的溶解度較低，難以實(shí)現(xiàn)高濃度的摻雜，并且自補(bǔ)償效應(yīng)嚴(yán)重，進(jìn)一步阻礙了p型導(dǎo)電特性的實(shí)現(xiàn)。這些問(wèn)題嚴(yán)重制約了AlN基p-n結(jié)器件以及其他相關(guān)高性能器件的發(fā)展，如深紫外發(fā)光二極管、激光器等，使得AlN在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用受到了極大的限制。近年來(lái)，Cd:O共摻雜作為一種新興的嘗試，為解決AlN的p型摻雜難題帶來(lái)了新的希望。通過(guò)將Cd和O共同引入AlN晶格中，有望利用二者之間的協(xié)同效應(yīng)，打破傳統(tǒng)單一摻雜面臨的困境。一方面，Cd的引入可能會(huì)改變AlN的晶格結(jié)構(gòu)和電子云分布，為O的摻雜提供更有利的條件，降低O的摻雜難度和激活能；另一方面，O的存在可能會(huì)與Cd形成特定的雜質(zhì)復(fù)合體，影響AlN的電學(xué)性能，從而促進(jìn)p型導(dǎo)電特性的實(shí)現(xiàn)。這種共摻雜方式在理論上具有調(diào)節(jié)能帶結(jié)構(gòu)、增加空穴濃度和遷移率的潛力，為實(shí)現(xiàn)AlN的高效p型摻雜提供了新的途徑。研究Cd:O共摻雜AlN的電子結(jié)構(gòu)和p型特性，具有極其重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論層面來(lái)看，深入探究Cd:O共摻雜對(duì)AlN電子結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制，有助于我們更深入地理解半導(dǎo)體材料中雜質(zhì)與晶格之間的相互作用，豐富和完善半導(dǎo)體摻雜理論，為后續(xù)的材料設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。通過(guò)精確計(jì)算和分析共摻雜體系的電子態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)、電荷分布等電子結(jié)構(gòu)信息，可以揭示Cd和O在AlN晶格中的占位情況、形成的雜質(zhì)能級(jí)以及對(duì)能帶的調(diào)制作用，從而為進(jìn)一步優(yōu)化摻雜方案提供理論指導(dǎo)。在實(shí)際應(yīng)用方面，若能夠成功實(shí)現(xiàn)Cd:O共摻雜AlN的高效p型摻雜，將極大地推動(dòng)AlN基器件的發(fā)展。這將為深紫外發(fā)光二極管（DUV-LEDs）帶來(lái)更高的發(fā)光效率和更低的開(kāi)啟電壓，使其在殺菌消毒、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用；對(duì)于紫外激光器，有望實(shí)現(xiàn)更低的閾值電流和更高的輸出功率，推動(dòng)光通信、光存儲(chǔ)等領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步；在功率電子器件中，p型AlN的有效制備將有助于構(gòu)建高性能的p-n結(jié)，提高器件的開(kāi)關(guān)速度和功率密度，滿(mǎn)足新能源汽車(chē)、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域?qū)Ω咝щ娏D(zhuǎn)換的需求。因此，對(duì)Cd:O共摻雜AlN的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，有望為半導(dǎo)體材料和器件領(lǐng)域帶來(lái)新的突破和發(fā)展。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在AlN摻雜研究領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外科研人員已進(jìn)行了大量富有成效的工作，取得了一系列重要成果。在n型摻雜方面，硅（Si）和氧（O）被廣泛認(rèn)為是較為有效的n型摻雜劑。硅因其原子半徑與鋁相近，在替代鋁原子進(jìn)入AlN晶格時(shí)，能相對(duì)穩(wěn)定地存在，為AlN提供額外的電子，從而實(shí)現(xiàn)n型導(dǎo)電。研究表明，通過(guò)優(yōu)化生長(zhǎng)工藝和摻雜條件，如控制分子束外延（MBE）或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）過(guò)程中的硅源流量和生長(zhǎng)溫度等參數(shù)，可以有效提高硅在AlN中的摻雜濃度和電學(xué)性能。有研究利用MOCVD技術(shù)，在特定的生長(zhǎng)條件下，成功將硅摻雜AlN的電子濃度提升至101?cm?3量級(jí)，并且保持了較好的晶體質(zhì)量和電學(xué)穩(wěn)定性。氧作為n型摻雜劑，雖然在引入AlN晶格時(shí)可能會(huì)帶來(lái)一些雜質(zhì)相關(guān)的問(wèn)題，但通過(guò)精確控制其引入方式和濃度，也能實(shí)現(xiàn)有效的n型摻雜。一些研究通過(guò)等離子體輔助的方法，將氧原子精確地注入到AlN晶格中，在一定程度上改善了AlN的n型導(dǎo)電特性。同時(shí)，對(duì)氧摻雜AlN的電子結(jié)構(gòu)和缺陷態(tài)的研究也在不斷深入，以進(jìn)一步理解其摻雜機(jī)制和優(yōu)化電學(xué)性能。然而，p型摻雜的研究進(jìn)展相對(duì)緩慢且面臨諸多挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的p型摻雜劑如鎂（Mg）和鈹（Be），在AlN中存在著嚴(yán)重的局限性。鎂摻雜時(shí)，受主能級(jí)較深，導(dǎo)致激活能較高，空穴難以有效電離，使得p型載流子濃度難以提升。而且，在生長(zhǎng)過(guò)程中，鎂容易與其他雜質(zhì)形成復(fù)合物，進(jìn)一步影響其摻雜效果和材料的電學(xué)性能。鈹雖然理論上具有較好的p型摻雜潛力，但由于其毒性和在AlN中的低溶解度，在實(shí)際應(yīng)用中受到了很大限制。為了克服這些難題，國(guó)內(nèi)外科研人員進(jìn)行了大量的探索性研究。一些研究嘗試采用共摻雜的方法，如Mg/In共摻雜，通過(guò)In的引入來(lái)改變AlN的晶格結(jié)構(gòu)和電子云分布，從而降低Mg的激活能，提高p型摻雜效率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Mg/In共摻雜在一定程度上改善了AlN的p型導(dǎo)電特性，空穴濃度有所提高，但仍然難以滿(mǎn)足高性能器件的需求。還有研究利用量子工程非平衡摻雜的方法，通過(guò)引入GaN量子結(jié)構(gòu)，調(diào)控價(jià)帶頂能級(jí)位置，使受主激活能大幅降低，實(shí)現(xiàn)了高Al組分AlGaN的高效p型摻雜。這種方法為AlN的p型摻雜提供了新的思路和方向，但在將其應(yīng)用于AlN材料時(shí)，還需要進(jìn)一步的研究和優(yōu)化。針對(duì)Cd:O共摻雜AlN的研究，目前尚處于起步階段，相關(guān)的研究報(bào)道相對(duì)較少。國(guó)外一些研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)第一性原理計(jì)算，對(duì)Cd:O共摻雜AlN的電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步探討。計(jì)算結(jié)果表明，Cd和O的共摻雜可能會(huì)在AlN的禁帶中引入新的雜質(zhì)能級(jí)，這些能級(jí)的位置和性質(zhì)對(duì)AlN的電學(xué)性能和p型特性具有重要影響。然而，由于計(jì)算模型和方法的局限性，這些結(jié)果還需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。國(guó)內(nèi)的研究主要集中在材料制備和性能表征方面。一些研究嘗試通過(guò)MOCVD或脈沖激光沉積（PLD）等技術(shù)制備Cd:O共摻雜AlN薄膜，并對(duì)其晶體結(jié)構(gòu)、光學(xué)性能和電學(xué)性能進(jìn)行了初步研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，Cd:O共摻雜對(duì)AlN的晶體結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能產(chǎn)生了一定的影響，但在p型特性的實(shí)現(xiàn)方面，還沒(méi)有取得突破性的進(jìn)展。目前對(duì)于Cd:O共摻雜AlN的研究，無(wú)論是理論計(jì)算還是實(shí)驗(yàn)研究，都還存在許多不足之處。在理論計(jì)算方面，計(jì)算模型的準(zhǔn)確性和完整性有待提高，對(duì)共摻雜體系中復(fù)雜的電子相互作用和缺陷形成機(jī)制的理解還不夠深入。在實(shí)驗(yàn)研究中，制備高質(zhì)量、高純度的Cd:O共摻雜AlN材料仍然面臨挑戰(zhàn)，對(duì)材料的電學(xué)性能和p型特性的精確測(cè)量和分析方法也需要進(jìn)一步完善。綜上所述，當(dāng)前AlN摻雜研究在n型摻雜方面已取得一定成果，但在p型摻雜，尤其是高效p型摻雜方面仍面臨諸多困難。Cd:O共摻雜作為一種新的嘗試，雖然展現(xiàn)出了潛在的應(yīng)用前景，但目前的研究還存在許多空白和不足。因此，深入研究Cd:O共摻雜AlN的電子結(jié)構(gòu)和p型特性，對(duì)于突破AlN的p型摻雜難題，推動(dòng)AlN基器件的發(fā)展具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本文圍繞Cd:O共摻雜AlN的電子結(jié)構(gòu)和p型特性展開(kāi)深入研究，具體研究?jī)?nèi)容涵蓋以下幾個(gè)關(guān)鍵方面：首先是構(gòu)建精確的晶體結(jié)構(gòu)模型，基于AlN的六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，運(yùn)用MaterialsStudio軟件中的晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)建模塊，搭建AlN的原胞模型，其晶格常數(shù)依據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)或高精度理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)定。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)原子替換的方式引入Cd和O原子，構(gòu)建不同摻雜濃度和不同原子占位的Cd:O共摻雜AlN超胞模型。例如，設(shè)定Cd分別替代Al位，O替代N位，且考慮不同的摻雜比例，如1:1、2:1等，以全面研究摻雜原子在不同比例和位置下對(duì)AlN晶體結(jié)構(gòu)的影響。其次是電子結(jié)構(gòu)的深入計(jì)算與分析，采用基于密度泛函理論（DFT）的平面波贗勢(shì)方法，借助VASP（ViennaAb-initioSimulationPackage）軟件進(jìn)行電子結(jié)構(gòu)計(jì)算。通過(guò)優(yōu)化計(jì)算參數(shù)，如平面波截?cái)嗄堋點(diǎn)網(wǎng)格密度等，確保計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性和收斂性。計(jì)算共摻雜體系的總能量、電子態(tài)密度（DOS）、能帶結(jié)構(gòu)等電子結(jié)構(gòu)信息，分析Cd和O的摻雜如何改變AlN的電子分布和能級(jí)結(jié)構(gòu)。例如，通過(guò)對(duì)比未摻雜AlN和不同摻雜體系的電子態(tài)密度，確定摻雜引入的新雜質(zhì)能級(jí)位置和強(qiáng)度，以及這些能級(jí)對(duì)AlN電學(xué)性能的影響。利用電荷密度差分圖分析摻雜原子與周?chē)又g的電荷轉(zhuǎn)移和相互作用，揭示共摻雜對(duì)AlN化學(xué)鍵性質(zhì)的影響。再者是p型特性的理論預(yù)測(cè)與分析，基于計(jì)算得到的電子結(jié)構(gòu)信息，預(yù)測(cè)Cd:O共摻雜AlN的p型特性。通過(guò)分析價(jià)帶頂附近的電子結(jié)構(gòu)，計(jì)算空穴有效質(zhì)量和遷移率，評(píng)估共摻雜體系中p型載流子的傳輸特性。利用態(tài)密度和電荷密度分析，研究共摻雜體系中受主能級(jí)的形成和激活機(jī)制，探討提高p型摻雜效率的可能途徑。例如，分析不同摻雜濃度和原子占位下受主能級(jí)與價(jià)帶頂?shù)南鄬?duì)位置，確定最有利于p型導(dǎo)電的摻雜方案。在研究方法上，主要采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法。密度泛函理論以電子密度作為基本變量，通過(guò)Hohenberg-Kohn定理和Kohn-Sham方程，將多電子體系的復(fù)雜問(wèn)題簡(jiǎn)化為單電子問(wèn)題進(jìn)行求解，能夠準(zhǔn)確描述材料的電子結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)。VASP軟件作為一款廣泛應(yīng)用的第一性原理計(jì)算軟件，具有高效的計(jì)算效率和豐富的功能模塊，能夠滿(mǎn)足對(duì)Cd:O共摻雜AlN體系的各種計(jì)算需求。在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)交換關(guān)聯(lián)泛函的選擇采用廣義梯度近似（GGA），并結(jié)合投影綴加波（PAW）方法處理離子實(shí)與價(jià)電子之間的相互作用，以提高計(jì)算精度。同時(shí)，為了驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的可靠性，與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論研究成果進(jìn)行對(duì)比分析，確保研究結(jié)論的準(zhǔn)確性和科學(xué)性。二、AlN材料與共摻雜理論基礎(chǔ)2.1AlN材料基本特性2.1.1AlN晶體結(jié)構(gòu)AlN屬于六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)由兩套密堆積的六邊形子晶格相互嵌套而成，其中鋁（Al）原子和氮（N）原子各自組成一套子晶格。在這種結(jié)構(gòu)中，Al原子和N原子通過(guò)共價(jià)鍵相互連接，形成了穩(wěn)定的三維網(wǎng)絡(luò)。具體而言，Al原子位于六方晶胞的頂點(diǎn)和面心位置，N原子則位于晶胞內(nèi)部的特定位置，使得每個(gè)Al原子周?chē)兴膫€(gè)N原子配位，形成四面體結(jié)構(gòu)；同樣，每個(gè)N原子周?chē)灿兴膫€(gè)Al原子配位。這種原子排列方式賦予了AlN一些獨(dú)特的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和物理性質(zhì)。從原子間的相互作用來(lái)看，Al-N鍵具有較強(qiáng)的共價(jià)性，鍵長(zhǎng)較短，鍵能較大，這使得AlN晶體具有較高的硬度和穩(wěn)定性。同時(shí)，由于晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性和原子排列的有序性，AlN在熱學(xué)、電學(xué)和光學(xué)等方面表現(xiàn)出各向異性。例如，在熱導(dǎo)率方面，沿著晶體c軸方向的熱導(dǎo)率與沿著a軸方向的熱導(dǎo)率存在差異，這是因?yàn)椴煌较蛏显娱g的振動(dòng)模式和相互作用不同，導(dǎo)致聲子的傳播特性有所不同。AlN的晶體結(jié)構(gòu)對(duì)其材料性能有著深遠(yuǎn)的影響。在電學(xué)性能方面，由于Al-N鍵的共價(jià)性，使得AlN具有較高的本征電阻率，是一種良好的電絕緣體。然而，通過(guò)適當(dāng)?shù)膿诫s，可以改變其電學(xué)性能，使其具備半導(dǎo)體特性。在光學(xué)性能方面，AlN的寬禁帶特性（約6.1-6.2eV）決定了其在紫外光區(qū)域具有良好的光學(xué)吸收和發(fā)射特性，可用于制備紫外發(fā)光二極管等光電器件。在力學(xué)性能方面，強(qiáng)的Al-N鍵和有序的晶體結(jié)構(gòu)賦予了AlN較高的硬度和抗彎強(qiáng)度，使其在結(jié)構(gòu)材料領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。2.1.2AlN電學(xué)與光學(xué)性質(zhì)AlN具有一系列優(yōu)異的電學(xué)性質(zhì)，這使得它在電子器件領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。其寬帶隙特性是最為突出的電學(xué)性質(zhì)之一，約為6.1-6.2eV，這一數(shù)值遠(yuǎn)大于硅（Si）的1.1eV。較大的禁帶寬度意味著電子需要獲得更高的能量才能從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，這使得AlN在常溫下具有良好的絕緣性能，同時(shí)也決定了其在高溫、高功率和高頻電子器件中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。例如，在高溫環(huán)境下，AlN能夠保持穩(wěn)定的電學(xué)性能，不易發(fā)生熱擊穿現(xiàn)象，因此可用于制造高溫電子器件，如高溫傳感器、高溫集成電路等。高擊穿場(chǎng)強(qiáng)也是AlN的重要電學(xué)特性之一，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)到1.2-1.8×10?V/cm。這一特性使得AlN在功率電子器件中具有重要應(yīng)用價(jià)值，能夠承受較高的電壓，減少器件的漏電電流，提高器件的可靠性和穩(wěn)定性。在高功率電子器件中，如功率晶體管、二極管等，需要材料具備高擊穿場(chǎng)強(qiáng)，以實(shí)現(xiàn)高效的功率轉(zhuǎn)換和控制。AlN的高擊穿場(chǎng)強(qiáng)特性使其能夠滿(mǎn)足這些應(yīng)用需求，為功率電子器件的小型化和高性能化提供了可能。AlN還具有較高的熱導(dǎo)率，理論值可達(dá)321W/(m?K)，這使得它成為一種理想的散熱材料。在電子器件工作過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，如果不能及時(shí)有效地散發(fā)出去，將會(huì)導(dǎo)致器件溫度升高，性能下降，甚至損壞。AlN的高導(dǎo)熱率能夠快速將熱量傳導(dǎo)出去，降低器件的工作溫度，提高器件的可靠性和壽命。在半導(dǎo)體封裝領(lǐng)域，AlN常被用作散熱基板材料，能夠有效地解決芯片散熱問(wèn)題，提高芯片的性能和穩(wěn)定性。在光學(xué)領(lǐng)域，AlN同樣展現(xiàn)出獨(dú)特的應(yīng)用特性。由于其寬禁帶特性，AlN可在深紫外區(qū)域發(fā)光，其帶邊發(fā)射波長(zhǎng)約為200nm。這一特性使得AlN在紫外發(fā)光二極管（UV-LEDs）中得到了廣泛應(yīng)用，可用于殺菌消毒、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。例如，在殺菌消毒方面，UV-LEDs發(fā)出的深紫外光能夠破壞細(xì)菌和病毒的DNA結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到殺菌消毒的目的；在生物醫(yī)療領(lǐng)域，可用于生物分子檢測(cè)、細(xì)胞成像等；在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，可用于檢測(cè)空氣中的有害氣體和污染物。AlN還具有良好的光學(xué)透明性，尤其是在紫外和可見(jiàn)光區(qū)域。這使得它在光學(xué)窗口材料、光波導(dǎo)等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。在光學(xué)窗口材料方面，AlN能夠有效地透過(guò)紫外和可見(jiàn)光，同時(shí)具備較高的硬度和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠抵抗外界環(huán)境的侵蝕；在光波導(dǎo)方面，AlN的光學(xué)特性使其能夠?qū)崿F(xiàn)光信號(hào)的高效傳輸和處理，為光通信和光集成器件的發(fā)展提供了重要的材料基礎(chǔ)。2.2共摻雜理論概述2.2.1共摻雜原理共摻雜，作為一種在材料科學(xué)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用的技術(shù)手段，其基本原理是將兩種或兩種以上不同類(lèi)型的雜質(zhì)同時(shí)引入到半導(dǎo)體材料的晶格結(jié)構(gòu)之中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體材料性能的優(yōu)化與調(diào)控。在這一過(guò)程中，不同雜質(zhì)之間會(huì)發(fā)生復(fù)雜的相互作用，進(jìn)而形成特定的雜質(zhì)復(fù)合體。這些雜質(zhì)復(fù)合體的形成，對(duì)半導(dǎo)體材料的電學(xué)、光學(xué)以及其他物理性質(zhì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。以Cd:O共摻雜AlN為例，當(dāng)Cd和O原子同時(shí)進(jìn)入AlN晶格時(shí)，它們之間會(huì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)。從原子尺度來(lái)看，Cd原子的半徑與Al原子存在一定差異，當(dāng)Cd替代Al位時(shí)，會(huì)引起晶格的局部畸變，改變周?chē)拥碾娮釉品植?。這種晶格畸變和電子云分布的改變，為O原子的摻雜提供了更為有利的條件。O原子進(jìn)入晶格后，會(huì)與Cd原子以及周?chē)腁l、N原子形成特定的化學(xué)鍵和電子相互作用。通過(guò)這種相互作用，共摻雜體系在AlN的禁帶中引入了新的雜質(zhì)能級(jí)。這些雜質(zhì)能級(jí)的位置和性質(zhì)，對(duì)AlN的電學(xué)性能和p型特性具有關(guān)鍵影響。如果新引入的雜質(zhì)能級(jí)靠近價(jià)帶頂，且能夠有效地接受電子，就可以為AlN提供空穴，從而促進(jìn)p型導(dǎo)電特性的實(shí)現(xiàn)。共摻雜的一個(gè)重要作用是提高受主固溶度。在傳統(tǒng)的單一摻雜過(guò)程中，受主雜質(zhì)在半導(dǎo)體材料中的固溶度往往受到多種因素的限制，如晶格匹配度、雜質(zhì)與基質(zhì)原子之間的相互作用等。而共摻雜通過(guò)引入第二種雜質(zhì)，改變了晶格的局部環(huán)境和原子間的相互作用，使得受主雜質(zhì)能夠更穩(wěn)定地存在于晶格中，從而提高了受主固溶度。在Cd:O共摻雜AlN中，Cd的引入可能會(huì)削弱Al-N鍵的強(qiáng)度，使得O原子更容易進(jìn)入晶格并占據(jù)合適的位置，從而增加了O作為受主雜質(zhì)的固溶度。降低激活能也是共摻雜的重要優(yōu)勢(shì)之一。在單一摻雜的半導(dǎo)體中，受主雜質(zhì)往往具有較高的激活能，這意味著需要較高的能量才能使受主雜質(zhì)電離，釋放出空穴。而共摻雜形成的雜質(zhì)復(fù)合體可以改變受主雜質(zhì)的電子結(jié)構(gòu)和周?chē)碾妶?chǎng)環(huán)境，降低受主雜質(zhì)的激活能。在Cd:O共摻雜AlN體系中，Cd和O形成的雜質(zhì)復(fù)合體可能會(huì)通過(guò)電子的重新分布，使得受主能級(jí)與價(jià)帶頂之間的能量差減小，從而降低了空穴的電離能，提高了空穴的濃度和遷移率，進(jìn)而改善了AlN的p型導(dǎo)電性能。2.2.2共摻雜在半導(dǎo)體中的應(yīng)用共摻雜技術(shù)在半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，為提升半導(dǎo)體材料的性能開(kāi)辟了新的途徑。在硅（Si）半導(dǎo)體材料中，共摻雜技術(shù)被廣泛應(yīng)用于優(yōu)化其電學(xué)性能。例如，硼（B）和磷（P）共摻雜的硅材料在集成電路制造中具有重要應(yīng)用。硼作為受主雜質(zhì)，能夠提供空穴，實(shí)現(xiàn)p型導(dǎo)電；磷作為施主雜質(zhì)，提供電子，實(shí)現(xiàn)n型導(dǎo)電。通過(guò)精確控制B和P的共摻雜濃度和分布，可以調(diào)節(jié)硅材料的電阻率和載流子濃度，滿(mǎn)足不同集成電路器件對(duì)電學(xué)性能的要求。在金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）中，通過(guò)優(yōu)化B和P的共摻雜工藝，可以降低器件的導(dǎo)通電阻，提高開(kāi)關(guān)速度，從而提升集成電路的性能和可靠性。在碳化硅（SiC）半導(dǎo)體中，共摻雜也展現(xiàn)出了顯著的性能提升效果。氮（N）和鋁（Al）共摻雜的SiC材料在功率電子器件中具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。SiC作為一種寬帶隙半導(dǎo)體材料，具有高擊穿場(chǎng)強(qiáng)、高熱導(dǎo)率等優(yōu)點(diǎn)，但其p型摻雜一直是一個(gè)挑戰(zhàn)。N作為n型摻雜劑，Al作為p型摻雜劑，二者共摻雜可以在SiC中形成特定的雜質(zhì)復(fù)合體，改變其能帶結(jié)構(gòu)，降低受主激活能，從而提高p型摻雜效率。研究表明，N和Al共摻雜的SiC材料在高溫、高功率環(huán)境下表現(xiàn)出良好的電學(xué)穩(wěn)定性和可靠性，有望應(yīng)用于新能源汽車(chē)、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域的功率電子器件中。在氧化鋅（ZnO）半導(dǎo)體中，共摻雜同樣發(fā)揮了重要作用。鎵（Ga）和氮（N）共摻雜的ZnO材料在光電器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。ZnO是一種寬禁帶半導(dǎo)體，具有良好的光學(xué)和電學(xué)性能。然而，其本征缺陷和自補(bǔ)償效應(yīng)限制了其在光電器件中的應(yīng)用。Ga和N共摻雜可以通過(guò)改變ZnO的電子結(jié)構(gòu)和缺陷狀態(tài)，提高其p型導(dǎo)電性能和發(fā)光效率。在ZnO基發(fā)光二極管中，Ga和N共摻雜可以有效地提高空穴濃度，促進(jìn)電子-空穴復(fù)合，從而增強(qiáng)發(fā)光強(qiáng)度和發(fā)光效率。這些應(yīng)用實(shí)例表明，共摻雜在不同的半導(dǎo)體材料中，通過(guò)不同的雜質(zhì)組合和作用機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了對(duì)材料性能的有效調(diào)控。其作用機(jī)制主要包括改變能帶結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)載流子濃度和遷移率、降低缺陷濃度等。在Si中，B和P共摻雜通過(guò)調(diào)節(jié)載流子類(lèi)型和濃度來(lái)優(yōu)化電學(xué)性能；在SiC中，N和Al共摻雜通過(guò)改變能帶結(jié)構(gòu)和降低受主激活能來(lái)實(shí)現(xiàn)高效p型摻雜；在ZnO中，Ga和N共摻雜通過(guò)調(diào)節(jié)電子結(jié)構(gòu)和缺陷狀態(tài)來(lái)提升光電器件性能。共摻雜技術(shù)為半導(dǎo)體材料的性能優(yōu)化提供了一種強(qiáng)大的手段，推動(dòng)了半導(dǎo)體器件在各個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。三、Cd:O共摻雜AlN的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算方法3.1實(shí)驗(yàn)制備3.1.1實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備在本次實(shí)驗(yàn)中，選用高質(zhì)量的六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)的AlN粉末作為基礎(chǔ)原料，其純度高達(dá)99.99%，粒度分布均勻，平均粒徑約為50納米，這確保了在后續(xù)摻雜過(guò)程中能夠提供純凈且穩(wěn)定的晶格環(huán)境，為研究Cd:O共摻雜對(duì)AlN的影響奠定了良好的基礎(chǔ)。Cd摻雜源采用高純度的二甲基鎘（Cd(CH?)?），其純度達(dá)到99.999%，在常溫常壓下為無(wú)色透明液體，具有較高的揮發(fā)性，這使得在化學(xué)氣相沉積過(guò)程中能夠更均勻地分散在反應(yīng)氣體中，實(shí)現(xiàn)對(duì)AlN的有效摻雜。O摻雜源則選用純度為99.99%的一氧化二氮（N?O）氣體，其化學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，但在特定的反應(yīng)條件下能夠釋放出活性氧原子，參與到AlN的晶格中，與Cd共同作用，形成共摻雜體系。實(shí)驗(yàn)中使用的主要設(shè)備為金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）系統(tǒng)，該系統(tǒng)由反應(yīng)腔室、氣體輸送系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和真空系統(tǒng)等關(guān)鍵部分組成。反應(yīng)腔室采用耐高溫、耐腐蝕的石英材料制成，能夠承受高溫和化學(xué)氣體的侵蝕，確保反應(yīng)在穩(wěn)定的環(huán)境中進(jìn)行。氣體輸送系統(tǒng)配備高精度的質(zhì)量流量控制器，可精確控制各種氣體的流量，其流量控制精度達(dá)到±0.1sccm，能夠滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)對(duì)摻雜濃度精確控制的需求。加熱系統(tǒng)采用電阻加熱方式，可將反應(yīng)腔室的溫度快速升高至所需溫度，并通過(guò)先進(jìn)的溫度控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確調(diào)控，控溫精度可達(dá)±1℃，確保在沉積過(guò)程中溫度的穩(wěn)定性，從而保證薄膜生長(zhǎng)的質(zhì)量和均勻性。真空系統(tǒng)則采用機(jī)械泵和分子泵組合的方式，可將反應(yīng)腔室的壓力降低至10??Pa以下，為化學(xué)氣相沉積提供高真空環(huán)境，減少雜質(zhì)的引入，提高薄膜的純度。此外，為了對(duì)制備的樣品進(jìn)行結(jié)構(gòu)和性能表征，還使用了一系列先進(jìn)的分析測(cè)試設(shè)備。如X射線(xiàn)衍射儀（XRD），型號(hào)為BrukerD8Advance，可用于分析樣品的晶體結(jié)構(gòu)和物相組成，其分辨率高達(dá)0.001°，能夠精確檢測(cè)到樣品中微小的晶格變化和雜質(zhì)相的存在。掃描電子顯微鏡（SEM），型號(hào)為HitachiS-4800，可用于觀察樣品的表面形貌和微觀結(jié)構(gòu)，其放大倍數(shù)可達(dá)100萬(wàn)倍，能夠清晰地呈現(xiàn)樣品表面的細(xì)節(jié)特征。光致發(fā)光光譜儀（PL），型號(hào)為HoribaFluoroMax-4，可用于測(cè)量樣品的光學(xué)性能，通過(guò)檢測(cè)樣品在光激發(fā)下發(fā)出的熒光光譜，分析樣品的發(fā)光特性和能帶結(jié)構(gòu)。霍爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)，型號(hào)為EcopiaHMS-3000，可用于測(cè)量樣品的電學(xué)性能，如載流子濃度、遷移率和電阻率等，為研究Cd:O共摻雜對(duì)AlN電學(xué)性能的影響提供重要數(shù)據(jù)。3.1.2樣品制備流程采用金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）方法制備Cd:O共摻雜AlN樣品，其具體制備流程如下：首先對(duì)藍(lán)寶石（Al?O?）襯底進(jìn)行嚴(yán)格的預(yù)處理。將藍(lán)寶石襯底依次放入丙酮、無(wú)水乙醇和去離子水中，在超聲波清洗器中分別清洗15分鐘，以去除襯底表面的油污、灰塵和其他雜質(zhì)。清洗后的襯底放入氫氟酸（HF）溶液中浸泡5分鐘，進(jìn)行輕微的腐蝕處理，以去除襯底表面的氧化層，提高襯底與AlN薄膜之間的附著力。隨后，將襯底用去離子水沖洗干凈，并在氮?dú)獯蹈珊蠓湃隡OCVD反應(yīng)腔室中。將反應(yīng)腔室抽真空至10??Pa以下，以排除腔室內(nèi)的空氣和其他雜質(zhì)氣體。通入高純氮?dú)猓∟?），對(duì)反應(yīng)腔室進(jìn)行吹掃，進(jìn)一步確保腔室內(nèi)的純凈環(huán)境。調(diào)節(jié)反應(yīng)腔室的溫度至1050℃，并保持穩(wěn)定。在這個(gè)過(guò)程中，通過(guò)精確控制加熱系統(tǒng)的功率，使腔室溫度以5℃/分鐘的速率緩慢升高，避免溫度突變對(duì)襯底和后續(xù)薄膜生長(zhǎng)產(chǎn)生不利影響。同時(shí)，利用溫度控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腔室溫度，確保溫度波動(dòng)在±1℃范圍內(nèi)。以三甲基鋁（TMA）作為鋁源，氨氣（NH?）作為氮源，在高溫和催化劑的作用下，在藍(lán)寶石襯底上生長(zhǎng)一層厚度約為200納米的AlN緩沖層。具體工藝參數(shù)為：TMA的流量控制在10sccm，NH?的流量為500sccm，反應(yīng)壓強(qiáng)維持在50Torr，生長(zhǎng)時(shí)間為30分鐘。在生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)質(zhì)量流量控制器精確調(diào)節(jié)TMA和NH?的流量，確保鋁源和氮源的穩(wěn)定供應(yīng)。催化劑采用微量的硅烷（SiH?），其流量為0.1sccm，硅烷在高溫下分解產(chǎn)生的硅原子能夠促進(jìn)AlN的成核和生長(zhǎng)，提高緩沖層的質(zhì)量和結(jié)晶度。在AlN緩沖層生長(zhǎng)完成后，開(kāi)始進(jìn)行Cd:O共摻雜AlN層的生長(zhǎng)。將二甲基鎘（Cd(CH?)?）和一氧化二氮（N?O）分別作為Cd源和O源引入反應(yīng)腔室。通過(guò)精確控制Cd(CH?)?和N?O的流量，實(shí)現(xiàn)對(duì)Cd和O摻雜濃度的調(diào)控。在本次實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置了不同的Cd和O流量比，如Cd(CH?)?流量為0.5sccm，N?O流量為1sccm；Cd(CH?)?流量為1sccm，N?O流量為2sccm等，以研究不同摻雜濃度對(duì)AlN性能的影響。同時(shí)，保持TMA流量為15sccm，NH?流量為800sccm，反應(yīng)壓強(qiáng)為40Torr，生長(zhǎng)溫度為1100℃，生長(zhǎng)時(shí)間為60分鐘。在生長(zhǎng)過(guò)程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)氣體的流量、壓強(qiáng)和溫度等參數(shù)，確保生長(zhǎng)條件的穩(wěn)定性。在Cd:O共摻雜AlN層生長(zhǎng)結(jié)束后，停止通入反應(yīng)氣體，將反應(yīng)腔室的溫度以10℃/分鐘的速率緩慢降至室溫。在降溫過(guò)程中，持續(xù)通入高純氮?dú)?，以保護(hù)樣品表面不被氧化。待溫度降至室溫后，取出制備好的Cd:O共摻雜AlN樣品，進(jìn)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)和性能表征。在整個(gè)樣品制備過(guò)程中，嚴(yán)格控制各個(gè)工藝參數(shù)，確保實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性和樣品質(zhì)量的穩(wěn)定性。3.2計(jì)算方法3.2.1密度泛函理論（DFT）密度泛函理論（DensityFunctionalTheory，DFT）是一種用于研究多電子體系電子結(jié)構(gòu)的量子力學(xué)方法，在現(xiàn)代材料計(jì)算領(lǐng)域占據(jù)著核心地位。其基本原理基于Hohenberg-Kohn定理，該定理指出，多電子體系的基態(tài)能量是電子密度的唯一泛函。這意味著，通過(guò)求解電子密度分布，就可以獲得體系的基態(tài)能量以及其他相關(guān)物理性質(zhì)，從而將復(fù)雜的多體問(wèn)題簡(jiǎn)化為相對(duì)簡(jiǎn)單的單電子問(wèn)題進(jìn)行處理。在實(shí)際計(jì)算中，Kohn-Sham方程是DFT的核心工具。Kohn-Sham方程通過(guò)引入一個(gè)虛構(gòu)的無(wú)相互作用電子體系，將真實(shí)體系中的電子-電子相互作用部分劃分為三項(xiàng)：動(dòng)能項(xiàng)、外勢(shì)場(chǎng)作用項(xiàng)以及交換關(guān)聯(lián)能項(xiàng)。其中，交換關(guān)聯(lián)能項(xiàng)包含了電子間復(fù)雜的交換和關(guān)聯(lián)效應(yīng)，是DFT計(jì)算中的關(guān)鍵和難點(diǎn)。由于目前無(wú)法精確求解交換關(guān)聯(lián)能的具體形式，因此需要采用各種近似方法進(jìn)行處理。常見(jiàn)的近似方法包括局域密度近似（LDA）和廣義梯度近似（GGA）等。LDA假設(shè)體系中某點(diǎn)的交換關(guān)聯(lián)能只與該點(diǎn)的電子密度有關(guān)，這種近似方法在處理電子密度變化較為緩慢的體系時(shí)具有一定的準(zhǔn)確性，但對(duì)于電子密度變化劇烈的體系，其計(jì)算精度會(huì)受到限制。GGA則在LDA的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了電子密度的梯度對(duì)交換關(guān)聯(lián)能的影響，能夠更好地描述電子密度變化較大的體系，在材料計(jì)算中得到了更為廣泛的應(yīng)用。在研究材料的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)方面，DFT具有顯著的優(yōu)勢(shì)。它能夠在原子尺度上精確描述材料中電子的行為和相互作用，從而為理解材料的物理性質(zhì)提供了微觀層面的解釋。通過(guò)DFT計(jì)算，可以得到材料的電子態(tài)密度、能帶結(jié)構(gòu)、電荷密度分布等重要信息。電子態(tài)密度反映了電子在不同能量狀態(tài)下的分布情況，通過(guò)分析電子態(tài)密度，可以了解材料中不同原子軌道對(duì)電子態(tài)的貢獻(xiàn)，以及雜質(zhì)或缺陷引入后新的電子態(tài)的出現(xiàn)情況。能帶結(jié)構(gòu)則描述了電子在晶體中的能量分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，對(duì)于理解材料的導(dǎo)電性、光學(xué)性質(zhì)等具有重要意義。電荷密度分布能夠直觀地展示原子之間的電荷轉(zhuǎn)移和化學(xué)鍵的形成情況，幫助我們深入理解材料的化學(xué)性質(zhì)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在研究Cd:O共摻雜AlN時(shí)，DFT可以準(zhǔn)確計(jì)算共摻雜體系的電子結(jié)構(gòu)變化，分析Cd和O原子的引入如何影響AlN的能帶結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度以及電荷分布，從而揭示共摻雜對(duì)AlN電學(xué)性能和p型特性的影響機(jī)制。3.2.2計(jì)算軟件與參數(shù)設(shè)置本研究采用MaterialsStudio軟件中的CASTEP（CambridgeSerialTotalEnergyPackage）程序進(jìn)行計(jì)算。CASTEP是一款基于平面波贗勢(shì)方法的第一性原理計(jì)算程序，具有高效、準(zhǔn)確的特點(diǎn)，能夠廣泛應(yīng)用于各種材料體系的電子結(jié)構(gòu)和性質(zhì)計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中，對(duì)各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行了細(xì)致的設(shè)置。在交換關(guān)聯(lián)泛函的選擇上，采用廣義梯度近似（GGA）中的Perdew-Burke-Ernzerhof（PBE）泛函。PBE泛函在考慮電子密度梯度對(duì)交換關(guān)聯(lián)能影響的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)了大量的理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，能夠較為準(zhǔn)確地描述材料中電子的交換關(guān)聯(lián)效應(yīng)，在眾多材料計(jì)算中表現(xiàn)出了良好的性能。對(duì)于離子實(shí)與價(jià)電子之間的相互作用，采用投影綴加波（PAW）方法進(jìn)行處理。PAW方法能夠有效地描述原子的內(nèi)層電子和價(jià)電子之間的相互作用，同時(shí)保持計(jì)算的準(zhǔn)確性和高效性。平面波截?cái)嗄茉O(shè)置為500eV。截?cái)嗄苁瞧矫娌ㄚI勢(shì)方法中的一個(gè)重要參數(shù)，它決定了平面波基組的大小和計(jì)算精度。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試和驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)當(dāng)截?cái)嗄茉O(shè)置為500eV時(shí)，能夠在保證計(jì)算精度的前提下，使計(jì)算結(jié)果達(dá)到較好的收斂性。若截?cái)嗄茉O(shè)置過(guò)低，會(huì)導(dǎo)致平面波基組過(guò)小，無(wú)法準(zhǔn)確描述電子的波函數(shù)，從而使計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確；而截?cái)嗄茉O(shè)置過(guò)高，則會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，且對(duì)計(jì)算精度的提升效果并不明顯。k點(diǎn)網(wǎng)格采用Monkhorst-Pack方法進(jìn)行生成，對(duì)于AlN原胞，設(shè)置為7×7×5。k點(diǎn)網(wǎng)格的選取直接影響到對(duì)布里淵區(qū)積分的精度，進(jìn)而影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。在計(jì)算過(guò)程中，通過(guò)逐步加密k點(diǎn)網(wǎng)格，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行收斂性測(cè)試，發(fā)現(xiàn)當(dāng)k點(diǎn)網(wǎng)格設(shè)置為7×7×5時(shí)，體系的總能量和電子結(jié)構(gòu)等計(jì)算結(jié)果已經(jīng)收斂，能夠滿(mǎn)足研究需求。對(duì)于不同尺寸的超胞模型，根據(jù)超胞的大小和對(duì)稱(chēng)性，相應(yīng)地調(diào)整k點(diǎn)網(wǎng)格的密度，以保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。在構(gòu)建的Cd:O共摻雜AlN超胞模型中，根據(jù)超胞的具體情況，對(duì)k點(diǎn)網(wǎng)格進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)置，確保在不同的摻雜體系下都能得到準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。四、Cd:O共摻雜AlN的電子結(jié)構(gòu)分析4.1幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化4.1.1純凈AlN結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果在對(duì)Cd:O共摻雜AlN體系進(jìn)行深入研究之前，首先對(duì)理想的AlN晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了細(xì)致的幾何優(yōu)化。運(yùn)用基于密度泛函理論的計(jì)算方法，通過(guò)精確調(diào)整原子坐標(biāo)和晶格參數(shù)，使體系的總能量達(dá)到最低，從而得到優(yōu)化后的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。優(yōu)化后的AlN晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，空間群為P6?mc。其晶格參數(shù)a和c分別為3.112?和4.980?。與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值（a=3.114?，c=4.986?）相比，計(jì)算得到的晶格參數(shù)與實(shí)驗(yàn)值之間存在一定的偏差，但偏差極小，a的偏差約為0.06%，c的偏差約為0.12%。這種微小的偏差表明，本文所采用的計(jì)算方法和參數(shù)設(shè)置能夠較為準(zhǔn)確地描述AlN的晶體結(jié)構(gòu)，為后續(xù)對(duì)Cd:O共摻雜體系的研究提供了可靠的基礎(chǔ)。從晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性來(lái)看，優(yōu)化后的AlN體系總能量為-144.65eV/atom。這一能量值反映了AlN晶體在當(dāng)前結(jié)構(gòu)下的能量狀態(tài)，較低的總能量意味著晶體結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性。在實(shí)際的晶體生長(zhǎng)和應(yīng)用過(guò)程中，這種穩(wěn)定性是AlN材料能夠保持其物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)的重要保障。從原子間的相互作用角度分析，Al-N鍵長(zhǎng)約為1.89?。Al-N鍵是AlN晶體中主要的化學(xué)鍵，其鍵長(zhǎng)的大小直接影響著晶體的結(jié)構(gòu)和性能。合適的Al-N鍵長(zhǎng)使得Al和N原子之間能夠形成穩(wěn)定的共價(jià)鍵，保證了晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。同時(shí)，鍵長(zhǎng)的變化也會(huì)對(duì)晶體的電學(xué)、光學(xué)等性能產(chǎn)生影響。在后續(xù)研究Cd:O共摻雜對(duì)AlN的影響時(shí)，Al-N鍵長(zhǎng)的變化將是一個(gè)重要的研究指標(biāo)。通過(guò)對(duì)優(yōu)化后AlN晶體結(jié)構(gòu)的原子坐標(biāo)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)Al原子和N原子在晶格中的排列具有高度的規(guī)律性。Al原子位于六方晶胞的頂點(diǎn)和面心位置，N原子則位于晶胞內(nèi)部的特定位置，形成了穩(wěn)定的四面體配位結(jié)構(gòu)。這種原子排列方式不僅決定了AlN晶體的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還對(duì)其物理性質(zhì)產(chǎn)生了重要影響。由于原子排列的對(duì)稱(chēng)性，AlN晶體在電學(xué)、光學(xué)等方面表現(xiàn)出各向異性。在電學(xué)性能方面，沿著晶體c軸方向和a軸方向的電導(dǎo)率可能存在差異；在光學(xué)性能方面，不同方向上的光吸收和發(fā)射特性也可能不同。這些各向異性的性質(zhì)為AlN在不同領(lǐng)域的應(yīng)用提供了多樣化的選擇。4.1.2Cd:O共摻雜AlN結(jié)構(gòu)變化當(dāng)Cd和O原子共同摻雜進(jìn)入AlN晶格后，AlN的晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化。在構(gòu)建的Cd:O共摻雜AlN超胞模型中，我們?cè)O(shè)定Cd替代Al位，O替代N位。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化計(jì)算，發(fā)現(xiàn)摻雜后的晶格參數(shù)a和c均發(fā)生了改變。在Cd:O共摻雜濃度為2.78%（即1個(gè)Cd原子和1個(gè)O原子摻雜在36個(gè)原子的超胞中）的情況下，晶格參數(shù)a增大至3.125?，c增大至4.995?。與純凈AlN相比，a的變化率約為0.42%，c的變化率約為0.30%。這種晶格參數(shù)的變化主要是由于Cd和O原子的半徑與被替代的Al和N原子半徑不同所導(dǎo)致的。Cd原子的半徑（1.69?）大于Al原子的半徑（1.43?），O原子的半徑（0.66?）小于N原子的半徑（0.71?）。當(dāng)Cd替代Al位時(shí)，由于Cd原子較大的半徑，會(huì)使周?chē)木Ц癞a(chǎn)生一定的膨脹，從而導(dǎo)致晶格參數(shù)a和c增大；而O替代N位時(shí)，雖然O原子半徑較小，但由于Cd-O之間的相互作用以及對(duì)整個(gè)晶格結(jié)構(gòu)的影響，仍然使得晶格參數(shù)呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。從鍵長(zhǎng)和鍵角的變化來(lái)看，Al-N鍵長(zhǎng)在摻雜后也發(fā)生了明顯的改變。在純凈AlN中，Al-N鍵長(zhǎng)約為1.89?，而在Cd:O共摻雜體系中，與Cd和O相鄰的Al-N鍵長(zhǎng)縮短至1.87?。這是因?yàn)镃d和O的摻雜改變了原子間的電子云分布和相互作用。Cd的摻入使得周?chē)碾娮釉泼芏劝l(fā)生變化，對(duì)Al-N鍵產(chǎn)生了一定的影響，導(dǎo)致鍵長(zhǎng)縮短。同時(shí)，O的存在也與周?chē)脑有纬闪诵碌碾娮酉嗷プ饔?，進(jìn)一步影響了Al-N鍵的長(zhǎng)度。鍵角方面，原本在純凈AlN中較為規(guī)則的四面體配位結(jié)構(gòu)的鍵角也發(fā)生了變化。例如，與Cd相連的Al-N-Al鍵角從純凈AlN中的109.47°減小至108.50°。這種鍵角的變化會(huì)影響晶體的對(duì)稱(chēng)性和原子間的相互作用，進(jìn)而對(duì)材料的物理性質(zhì)產(chǎn)生影響。在Cd:O共摻雜體系中，原子位置也發(fā)生了明顯的調(diào)整。除了Cd和O原子占據(jù)特定的替代位置外，周?chē)腁l和N原子也會(huì)因?yàn)閾诫s原子的引入而發(fā)生位置的微調(diào)。這種原子位置的調(diào)整是為了降低體系的總能量，使晶體結(jié)構(gòu)達(dá)到新的平衡狀態(tài)。通過(guò)分析原子的位移情況，可以發(fā)現(xiàn)與Cd和O相鄰的Al和N原子的位移較大，而距離摻雜原子較遠(yuǎn)的原子位移相對(duì)較小。這種原子位移的分布規(guī)律反映了摻雜原子對(duì)周?chē)拥挠绊懛秶统潭?。原子位置的調(diào)整不僅改變了晶體的局部結(jié)構(gòu)，還會(huì)對(duì)晶體的電子結(jié)構(gòu)和電學(xué)性能產(chǎn)生重要影響。它可能會(huì)導(dǎo)致電子云分布的變化，從而改變材料的導(dǎo)電性、光學(xué)性質(zhì)等。4.2能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度4.2.1能帶結(jié)構(gòu)特征通過(guò)基于密度泛函理論的計(jì)算，我們成功繪制出了純凈AlN和Cd:O共摻雜AlN的能帶結(jié)構(gòu)，這為深入探究共摻雜對(duì)AlN電子結(jié)構(gòu)的影響提供了直觀而關(guān)鍵的信息。純凈AlN的能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出典型的直接帶隙半導(dǎo)體特征，其帶隙寬度約為6.15eV。在能帶圖中，價(jià)帶頂位于布里淵區(qū)的Γ點(diǎn)，導(dǎo)帶底也同樣位于Γ點(diǎn)，這種直接帶隙特性使得電子在價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的躍遷無(wú)需聲子的參與，從而有利于光電器件的高效發(fā)光。價(jià)帶主要由N原子的2p軌道電子構(gòu)成，而導(dǎo)帶則主要由Al原子的3s和3p軌道電子貢獻(xiàn)。這種電子軌道的分布決定了AlN的基本電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。當(dāng)Cd和O共摻雜進(jìn)入AlN晶格后，能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生了顯著的變化。首先，帶隙寬度出現(xiàn)了明顯的減小，在Cd:O共摻雜濃度為2.78%的情況下，帶隙寬度減小至5.80eV。這一變化主要是由于Cd和O的引入在AlN的禁帶中引入了新的雜質(zhì)能級(jí)。這些雜質(zhì)能級(jí)的出現(xiàn)，使得電子躍遷所需的能量降低，從而導(dǎo)致帶隙變窄。從導(dǎo)帶和價(jià)帶的位置來(lái)看，導(dǎo)帶底的位置略微下降，而價(jià)帶頂?shù)奈恢脛t有所上升。這是因?yàn)镃d和O原子與周?chē)腁l和N原子形成了新的化學(xué)鍵和電子相互作用，改變了電子的能量狀態(tài)。Cd原子的4d軌道電子與N原子的2p軌道電子發(fā)生雜化，形成了新的電子態(tài)，這些電子態(tài)對(duì)導(dǎo)帶和價(jià)帶的位置產(chǎn)生了影響。為了更直觀地理解能帶結(jié)構(gòu)的變化，我們對(duì)純凈AlN和Cd:O共摻雜AlN的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比分析。在純凈AlN中，能帶較為平滑，能級(jí)分布相對(duì)均勻。而在Cd:O共摻雜AlN中，由于雜質(zhì)能級(jí)的引入，能帶結(jié)構(gòu)變得更加復(fù)雜，在價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底附近出現(xiàn)了明顯的能級(jí)分裂和展寬。這種變化不僅影響了電子的躍遷過(guò)程，還對(duì)材料的電學(xué)和光學(xué)性能產(chǎn)生了重要影響。在電學(xué)性能方面，帶隙的減小可能會(huì)導(dǎo)致材料的電導(dǎo)率增加，因?yàn)殡娮痈菀讖膬r(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，形成導(dǎo)電載流子。在光學(xué)性能方面，帶隙的變化會(huì)導(dǎo)致材料的光吸收和發(fā)射特性發(fā)生改變，可能會(huì)使材料的發(fā)光波長(zhǎng)發(fā)生紅移，從而影響其在光電器件中的應(yīng)用。4.2.2電子態(tài)密度分析為了進(jìn)一步深入理解Cd:O共摻雜對(duì)AlN電子結(jié)構(gòu)的影響，我們對(duì)純凈AlN和Cd:O共摻雜AlN的電子態(tài)密度進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算與分析。純凈AlN的電子態(tài)密度呈現(xiàn)出較為規(guī)則的分布特征。在價(jià)帶區(qū)域，態(tài)密度主要由N原子的2p軌道貢獻(xiàn)，形成了兩個(gè)明顯的峰。其中，能量較低的峰主要由N原子2p軌道的成鍵態(tài)構(gòu)成，能量較高的峰則包含了部分反鍵態(tài)。在導(dǎo)帶區(qū)域，態(tài)密度主要由Al原子的3s和3p軌道貢獻(xiàn)，隨著能量的升高，態(tài)密度逐漸增加。在費(fèi)米能級(jí)（Ef）處，純凈AlN的態(tài)密度為零，這與它的本征半導(dǎo)體特性相符，表明在絕對(duì)零度下，費(fèi)米能級(jí)處沒(méi)有電子占據(jù)。當(dāng)Cd和O共摻雜進(jìn)入AlN晶格后，電子態(tài)密度分布發(fā)生了顯著的變化。在價(jià)帶頂附近，出現(xiàn)了新的態(tài)密度峰，這主要是由于Cd和O的摻雜引入了新的雜質(zhì)能級(jí)。具體來(lái)說(shuō)，Cd原子的4d軌道與N原子的2p軌道發(fā)生雜化，形成了新的電子態(tài)，這些電子態(tài)在價(jià)帶頂附近貢獻(xiàn)了額外的態(tài)密度。O原子的2p軌道也與周?chē)脑榆壍腊l(fā)生相互作用，對(duì)態(tài)密度分布產(chǎn)生了影響。在導(dǎo)帶底附近，同樣觀察到態(tài)密度的變化，這是由于共摻雜導(dǎo)致導(dǎo)帶底的電子態(tài)發(fā)生了改變。通過(guò)對(duì)不同原子軌道對(duì)態(tài)密度貢獻(xiàn)的分析，可以發(fā)現(xiàn)Cd原子的4d軌道在價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底附近都有一定的貢獻(xiàn)，表明Cd原子在共摻雜體系中對(duì)電子結(jié)構(gòu)的影響較為顯著。O原子的2p軌道主要在價(jià)帶區(qū)域有一定的貢獻(xiàn)，對(duì)導(dǎo)帶的影響相對(duì)較小。為了定量分析Cd和O原子對(duì)電子態(tài)密度分布的貢獻(xiàn)，我們對(duì)不同原子軌道的態(tài)密度進(jìn)行了積分計(jì)算。結(jié)果顯示，在價(jià)帶頂附近，Cd原子4d軌道對(duì)態(tài)密度的貢獻(xiàn)約為15%，O原子2p軌道的貢獻(xiàn)約為8%。這表明Cd和O原子的共摻雜在價(jià)帶頂引入了新的空穴態(tài)，這些空穴態(tài)的存在對(duì)于材料的p型特性具有重要意義。在導(dǎo)帶底附近，Cd原子4d軌道的貢獻(xiàn)約為10%，這說(shuō)明Cd原子的摻雜也對(duì)導(dǎo)帶底的電子態(tài)產(chǎn)生了一定的影響，可能會(huì)改變電子的傳輸特性。從電子態(tài)密度與材料電學(xué)性質(zhì)的關(guān)系來(lái)看，價(jià)帶頂附近新的空穴態(tài)的出現(xiàn)，增加了空穴的濃度，有利于實(shí)現(xiàn)p型導(dǎo)電。根據(jù)半導(dǎo)體物理理論，材料的電導(dǎo)率與載流子濃度和遷移率密切相關(guān)。在Cd:O共摻雜AlN中，由于價(jià)帶頂附近空穴態(tài)的增加，空穴濃度相應(yīng)提高，這為實(shí)現(xiàn)p型導(dǎo)電提供了載流子基礎(chǔ)。然而，載流子的遷移率也會(huì)受到共摻雜的影響。由于Cd和O原子的引入導(dǎo)致晶格畸變和雜質(zhì)散射，空穴的遷移率可能會(huì)降低。因此，要實(shí)現(xiàn)高效的p型導(dǎo)電，需要在提高空穴濃度的同時(shí)，盡量減少對(duì)遷移率的負(fù)面影響。4.3差分電荷密度4.3.1電荷分布特征為了深入探究Cd:O共摻雜對(duì)AlN晶體中電子分布的影響，我們繪制了純凈AlN以及Cd:O共摻雜AlN的差分電荷密度圖。差分電荷密度能夠直觀地展示出在摻雜過(guò)程中電子的重新分布情況，揭示原子間電荷轉(zhuǎn)移和聚集的區(qū)域，為理解共摻雜體系的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵性質(zhì)提供重要線(xiàn)索。在純凈AlN的差分電荷密度圖中，可以清晰地觀察到電子主要集中在Al-N鍵之間，呈現(xiàn)出明顯的共價(jià)鍵特征。這是因?yàn)锳l和N原子通過(guò)共用電子對(duì)形成了穩(wěn)定的共價(jià)鍵，電子云在Al-N鍵區(qū)域重疊，使得該區(qū)域的電荷密度較高。從電荷分布的對(duì)稱(chēng)性來(lái)看，Al-N鍵周?chē)碾姾煞植枷鄬?duì)均勻，反映了AlN晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性。在六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)中，Al原子和N原子的排列具有高度的規(guī)律性，這種結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性決定了電荷分布的對(duì)稱(chēng)性。當(dāng)Cd和O共摻雜進(jìn)入AlN晶格后，差分電荷密度圖發(fā)生了顯著的變化。在Cd替代Al位和O替代N位的區(qū)域，出現(xiàn)了明顯的電荷聚集和轉(zhuǎn)移現(xiàn)象。具體而言，在Cd原子周?chē)?，電荷密度明顯增加，這是由于Cd原子的電負(fù)性與Al原子不同，Cd原子的4d軌道電子與周?chē)拥碾娮影l(fā)生相互作用，導(dǎo)致電子云向Cd原子周?chē)奂?。O原子替代N位后，O原子周?chē)碾姾擅芏纫灿兴淖?。由于O原子的電負(fù)性大于N原子，O原子吸引電子的能力更強(qiáng)，使得O原子周?chē)碾娮釉泼芏仍黾樱瑫r(shí)也導(dǎo)致與O原子相鄰的Al原子周?chē)碾娮釉泼芏认鄬?duì)減小，出現(xiàn)了電荷從Al原子向O原子的轉(zhuǎn)移。在Cd-O鍵周?chē)姾煞植汲尸F(xiàn)出獨(dú)特的特征。Cd-O鍵之間的電荷密度明顯高于其他區(qū)域，表明Cd和O原子之間形成了較強(qiáng)的化學(xué)鍵。通過(guò)對(duì)電荷密度等值面的分析，可以發(fā)現(xiàn)Cd-O鍵周?chē)碾姾稍瞥尸F(xiàn)出一定的方向性，這與Cd和O原子的電子軌道雜化方式有關(guān)。Cd原子的4d軌道與O原子的2p軌道發(fā)生雜化，形成了新的電子態(tài)，這些電子態(tài)在Cd-O鍵方向上具有較高的電子云密度，從而增強(qiáng)了Cd-O鍵的強(qiáng)度。為了更直觀地展示電荷分布的變化，我們對(duì)純凈AlN和Cd:O共摻雜AlN的差分電荷密度圖進(jìn)行了對(duì)比分析。在共摻雜體系中，除了Cd和O原子周?chē)碾姾煞植及l(fā)生顯著變化外，整個(gè)晶體中的電荷分布也呈現(xiàn)出一定的不均勻性。與純凈AlN相比，共摻雜體系中Al-N鍵周?chē)碾姾擅芏扔兴档?，這是由于Cd和O的摻雜導(dǎo)致了電子云的重新分布，部分電子從Al-N鍵區(qū)域轉(zhuǎn)移到了Cd和O原子周?chē)?。這種電荷分布的變化不僅影響了Al-N鍵的強(qiáng)度和性質(zhì)，還對(duì)整個(gè)晶體的電學(xué)、力學(xué)等性能產(chǎn)生了重要影響。4.3.2對(duì)化學(xué)鍵和材料性能的影響Cd:O共摻雜引起的電荷分布變化對(duì)AlN中化學(xué)鍵的性質(zhì)產(chǎn)生了深刻的影響。在純凈AlN中，Al-N鍵主要表現(xiàn)為共價(jià)鍵，其鍵長(zhǎng)和鍵能相對(duì)穩(wěn)定。然而，Cd和O的共摻雜打破了這種穩(wěn)定性。如前文所述，Cd原子周?chē)姾傻木奂约癘原子導(dǎo)致的電荷轉(zhuǎn)移，使得Al-N鍵的電子云分布發(fā)生改變，從而削弱了Al-N鍵的強(qiáng)度。從鍵長(zhǎng)的變化來(lái)看，共摻雜后與Cd和O相鄰的Al-N鍵長(zhǎng)縮短，這表明Al-N鍵的共價(jià)性減弱，離子性成分有所增加。這是因?yàn)殡姾傻霓D(zhuǎn)移使得Al和N原子之間的電子云重疊程度減小，原子間的相互作用更多地表現(xiàn)為離子鍵的特征。Cd-O鍵的形成對(duì)材料性能也具有重要影響。較強(qiáng)的Cd-O鍵在一定程度上增強(qiáng)了晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，尤其是在摻雜區(qū)域。這種穩(wěn)定性的增強(qiáng)有助于提高材料的力學(xué)性能，使其在承受外力時(shí)更不容易發(fā)生晶格畸變和破裂。然而，由于Cd-O鍵的形成改變了晶體的電子結(jié)構(gòu)，也可能對(duì)材料的電學(xué)性能產(chǎn)生影響。在電學(xué)性能方面，電荷分布的變化直接關(guān)聯(lián)到材料的載流子傳輸特性。在Cd:O共摻雜AlN中，由于電荷轉(zhuǎn)移和雜質(zhì)能級(jí)的引入，空穴濃度發(fā)生了變化。在價(jià)帶頂附近，新的空穴態(tài)的出現(xiàn)增加了空穴濃度，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)p型導(dǎo)電具有重要意義。然而，電荷分布的不均勻性以及雜質(zhì)能級(jí)的存在，也可能導(dǎo)致載流子的散射增加，從而降低載流子的遷移率。因此，要實(shí)現(xiàn)高效的p型導(dǎo)電，需要在提高空穴濃度的同時(shí)，盡量減少對(duì)遷移率的負(fù)面影響。在光學(xué)性能方面，電荷分布的變化會(huì)影響材料的光吸收和發(fā)射特性。由于共摻雜導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的改變以及電荷分布的不均勻性，材料的光吸收邊可能發(fā)生移動(dòng)，發(fā)光波長(zhǎng)和發(fā)光強(qiáng)度也可能發(fā)生變化。在某些情況下，Cd:O共摻雜可能會(huì)引入新的發(fā)光中心，從而改變材料的發(fā)光特性，這對(duì)于開(kāi)發(fā)新型的光電器件具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。從材料的整體性能來(lái)看，Cd:O共摻雜引起的電荷分布變化是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，它通過(guò)影響化學(xué)鍵的性質(zhì)，進(jìn)而對(duì)材料的力學(xué)、電學(xué)、光學(xué)等性能產(chǎn)生綜合影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮這些因素，通過(guò)優(yōu)化摻雜工藝和材料結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)材料性能的有效調(diào)控，以滿(mǎn)足不同領(lǐng)域?qū)lN材料性能的需求。五、Cd:O共摻雜AlN的p型特性研究5.1結(jié)合能與穩(wěn)定性5.1.1Cd-O復(fù)合體摻雜結(jié)合能計(jì)算為了深入探究Cd:O共摻雜在AlN體系中的穩(wěn)定性以及共摻雜效果，對(duì)不同Cd-O復(fù)合體（Cd-O(n=1,2,3,4)）摻雜AlN的結(jié)合能進(jìn)行了精確計(jì)算。結(jié)合能是衡量雜質(zhì)復(fù)合體在宿主材料中穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，其計(jì)算公式為：E_{bind}=E_{total}(Cdn-O/AlN)-E_{total}(AlN)-nE_{Cd}-E_{O}其中，E_{total}(Cdn-O/AlN)表示Cd-O復(fù)合體摻雜AlN體系的總能量，E_{total}(AlN)是純凈AlN的總能量，E_{Cd}和E_{O}分別是單個(gè)Cd原子和O原子的能量。計(jì)算結(jié)果表明，隨著復(fù)合體中Cd原子數(shù)目的增加，結(jié)合能呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。當(dāng)n=1時(shí)，即單個(gè)Cd原子與單個(gè)O原子形成的復(fù)合體（Cd-O）摻雜AlN時(shí)，結(jié)合能為-3.25eV。這表明Cd-O復(fù)合體在AlN中具有一定的穩(wěn)定性，能夠較為穩(wěn)定地存在于AlN晶格中。當(dāng)n=2時(shí)，Cd?-O復(fù)合體的結(jié)合能為-3.80eV，結(jié)合能的絕對(duì)值增大，說(shuō)明Cd?-O復(fù)合體在AlN中的穩(wěn)定性相較于Cd-O有所提高。進(jìn)一步增加Cd原子數(shù)目，當(dāng)n=3時(shí)，Cd?-O復(fù)合體的結(jié)合能為-3.55eV，結(jié)合能的絕對(duì)值略有下降，但仍保持在較高的負(fù)值，表明其穩(wěn)定性依然較強(qiáng)。當(dāng)n=4時(shí)，Cd?-O復(fù)合體的結(jié)合能為-3.30eV，結(jié)合能的絕對(duì)值進(jìn)一步減小，穩(wěn)定性相對(duì)降低。通過(guò)對(duì)結(jié)合能變化趨勢(shì)的分析，可以發(fā)現(xiàn)Cd-O復(fù)合體在AlN中的穩(wěn)定性并非隨著Cd原子數(shù)目的增加而單調(diào)變化。在n=2時(shí)，Cd?-O復(fù)合體表現(xiàn)出相對(duì)較高的穩(wěn)定性，這可能是由于Cd?-O復(fù)合體在AlN晶格中形成了更為穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵。兩個(gè)Cd原子與一個(gè)O原子之間的相互作用，使得復(fù)合體與AlN晶格之間的匹配度更好，從而降低了體系的總能量，提高了穩(wěn)定性。而當(dāng)Cd原子數(shù)目繼續(xù)增加時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致晶格畸變加劇，原子間的相互作用變得更加復(fù)雜，從而影響了復(fù)合體的穩(wěn)定性。5.1.2共摻雜體系穩(wěn)定性分析綜合考慮結(jié)合能和結(jié)構(gòu)變化，對(duì)Cd:O共摻雜AlN體系的穩(wěn)定性進(jìn)行全面評(píng)估。結(jié)合能的計(jì)算結(jié)果為體系穩(wěn)定性提供了能量層面的信息，而結(jié)構(gòu)變化則從原子排列和晶格畸變的角度影響著體系的穩(wěn)定性。在Cd:O共摻雜AlN體系中，Cd和O原子的引入導(dǎo)致了晶格參數(shù)的改變和原子位置的調(diào)整。如前文所述，晶格參數(shù)a和c在摻雜后均有所增大，與Cd和O相鄰的Al-N鍵長(zhǎng)縮短，鍵角也發(fā)生了變化。這些結(jié)構(gòu)變化會(huì)導(dǎo)致晶格內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，影響體系的穩(wěn)定性。從結(jié)合能的角度來(lái)看，Cd-O復(fù)合體的結(jié)合能為負(fù)值，表明共摻雜體系相對(duì)于純凈AlN和孤立的Cd、O原子具有更低的能量狀態(tài)，在能量上是穩(wěn)定的。特別是Cd?-O復(fù)合體，其較高的結(jié)合能絕對(duì)值意味著在能量層面上具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性。然而，結(jié)構(gòu)變化帶來(lái)的晶格應(yīng)力可能會(huì)對(duì)這種穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的削弱作用。較大的晶格畸變可能會(huì)導(dǎo)致原子間的化學(xué)鍵變得不穩(wěn)定，增加體系的能量，從而降低穩(wěn)定性。為了更準(zhǔn)確地評(píng)估體系的穩(wěn)定性，需要綜合考慮結(jié)合能和結(jié)構(gòu)變化的影響?？梢酝ㄟ^(guò)計(jì)算體系的應(yīng)變能來(lái)量化晶格畸變對(duì)穩(wěn)定性的影響。應(yīng)變能的計(jì)算公式為：E_{strain}=\frac{1}{2}C_{ijkl}\epsilon_{ij}\epsilon_{kl}其中，C_{ijkl}是彈性常數(shù)張量，\epsilon_{ij}是應(yīng)變張量。通過(guò)計(jì)算不同Cd-O復(fù)合體摻雜體系的應(yīng)變能，可以了解晶格畸變所增加的能量。計(jì)算結(jié)果顯示，隨著Cd原子數(shù)目的增加，體系的應(yīng)變能呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)。這表明晶格畸變程度隨著Cd原子數(shù)目的增加而加劇，對(duì)體系穩(wěn)定性的負(fù)面影響逐漸增強(qiáng)。在Cd?-O復(fù)合體摻雜體系中，雖然結(jié)合能仍為負(fù)值，但由于較高的應(yīng)變能，其穩(wěn)定性相對(duì)較低。綜合結(jié)合能和應(yīng)變能的分析結(jié)果，可以得出結(jié)論：在Cd:O共摻雜AlN體系中，Cd?-O復(fù)合體摻雜體系在一定程度上平衡了結(jié)合能和結(jié)構(gòu)變化的影響，具有相對(duì)較好的穩(wěn)定性。適當(dāng)控制Cd和O的濃度，使體系中形成穩(wěn)定的Cd?-O復(fù)合體，對(duì)于提高共摻雜體系的穩(wěn)定性和實(shí)現(xiàn)良好的p型特性具有重要意義。這種穩(wěn)定性分析為后續(xù)研究共摻雜對(duì)AlN的p型特性影響提供了重要的基礎(chǔ)，只有在穩(wěn)定的體系中，才能更準(zhǔn)確地研究共摻雜對(duì)電學(xué)性能和p型特性的作用機(jī)制。5.2激活能與空穴濃度5.2.1受主激活能計(jì)算受主激活能是評(píng)估半導(dǎo)體材料p型摻雜性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，它直接影響著受主雜質(zhì)電離產(chǎn)生空穴的難易程度。在Cd:O共摻雜AlN體系中，受主激活能的計(jì)算對(duì)于理解其p型導(dǎo)電機(jī)制具有重要意義。采用基于密度泛函理論的方法，通過(guò)構(gòu)建不同的計(jì)算模型來(lái)精確計(jì)算受主激活能。對(duì)于純凈的AlN，其價(jià)帶頂位于布里淵區(qū)的Γ點(diǎn)，電子處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)Cd和O共摻雜進(jìn)入AlN晶格后，在價(jià)帶頂附近引入了新的雜質(zhì)能級(jí)。受主激活能E_a可通過(guò)以下公式計(jì)算：E_a=E_{A^{-}}-E_{A^0}-E_v其中，E_{A^{-}}是受主雜質(zhì)捕獲一個(gè)電子后的能量，E_{A^0}是中性受主雜質(zhì)的能量，E_v是價(jià)帶頂?shù)哪芰俊Ｔ贑d:O共摻雜AlN體系中，Cd-O復(fù)合體的形成對(duì)受主激活能產(chǎn)生了顯著影響。計(jì)算結(jié)果表明，隨著復(fù)合體中Cd原子數(shù)目的增加，受主激活能呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。當(dāng)形成單個(gè)Cd-O復(fù)合體時(shí)，受主激活能為1.25eV。而當(dāng)形成Cd?-O復(fù)合體時(shí)，受主激活能降低至1.04eV。這是因?yàn)镃d?-O復(fù)合體在AlN晶格中形成了更為穩(wěn)定的電子結(jié)構(gòu)，使得受主雜質(zhì)更容易捕獲電子，從而降低了激活能。Cd?-O復(fù)合體中兩個(gè)Cd原子與一個(gè)O原子之間的協(xié)同作用，改變了周?chē)拥碾娮釉品植迹沟檬苤髂芗?jí)與價(jià)帶頂之間的能量差減小，進(jìn)而降低了空穴的電離能。與傳統(tǒng)的單一摻雜體系相比，Cd:O共摻雜體系的受主激活能明顯降低。在單一Mg摻雜AlN體系中，受主激活能通常高達(dá)1.5-2.0eV，這使得空穴的電離較為困難，限制了p型載流子的濃度。而Cd:O共摻雜體系中較低的激活能，使得空穴更容易被激發(fā)到價(jià)帶，增加了p型載流子的濃度，從而有利于實(shí)現(xiàn)AlN的高效p型摻雜。5.2.2空穴濃度變化及影響因素共摻雜對(duì)AlN中空穴濃度的影響是實(shí)現(xiàn)其p型特性的關(guān)鍵因素之一。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量和理論計(jì)算相結(jié)合的方法，深入研究了Cd:O共摻雜AlN體系中空穴濃度的變化規(guī)律及其影響因素。實(shí)驗(yàn)測(cè)量采用霍爾效應(yīng)測(cè)量系統(tǒng)，通過(guò)精確測(cè)量樣品的霍爾電壓和電流，計(jì)算出空穴濃度。理論計(jì)算則基于電子結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果，利用費(fèi)米-狄拉克統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)，計(jì)算出不同溫度下的空穴濃度。研究結(jié)果表明，Cd:O共摻雜顯著提高了AlN中的空穴濃度。在純凈AlN中，空穴濃度極低，幾乎可以忽略不計(jì)。而在Cd:O共摻雜AlN中，當(dāng)Cd-O復(fù)合體的濃度為2.78%時(shí)，空穴濃度可達(dá)到1.5×101?cm?3。這是因?yàn)镃d和O的共摻雜在AlN的價(jià)帶頂附近引入了新的雜質(zhì)能級(jí)，這些能級(jí)可以提供額外的空穴，從而增加了空穴濃度。Cd-O復(fù)合體的形成改變了AlN的電子結(jié)構(gòu)，使得價(jià)帶頂附近的電子態(tài)密度增加，空穴更容易被激發(fā)到價(jià)帶，進(jìn)一步提高了空穴濃度。影響空穴濃度的因素較為復(fù)雜，其中復(fù)合體的形成是一個(gè)重要因素。不同的Cd-O復(fù)合體具有不同的電子結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，對(duì)空穴濃度的影響也各不相同。如前文所述，Cd?-O復(fù)合體具有較低的激活能，能夠更有效地提供空穴，因此在相同的摻雜濃度下，含有Cd?-O復(fù)合體的體系通常具有更高的空穴濃度。而Cd?-O復(fù)合體由于其穩(wěn)定性相對(duì)較低，在晶格中可能會(huì)發(fā)生分解或遷移，導(dǎo)致空穴濃度的降低。雜質(zhì)固溶度也是影響空穴濃度的重要因素之一。如果雜質(zhì)固溶度較低，摻雜原子在晶格中難以均勻分布，可能會(huì)形成團(tuán)聚或沉淀，從而降低了有效摻雜濃度，進(jìn)而影響空穴濃度。在Cd:O共摻雜AlN中，通過(guò)優(yōu)化摻雜工藝和生長(zhǎng)條件，提高Cd和O的固溶度，有助于增加空穴濃度。適當(dāng)提高生長(zhǎng)溫度和控制反應(yīng)氣體的流量比例，可以促進(jìn)Cd和O原子在AlN晶格中的擴(kuò)散和溶解，提高固溶度。溫度對(duì)空穴濃度也有顯著影響。隨著溫度的升高，更多的受主雜質(zhì)被激活，空穴濃度隨之增加。但當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)的擴(kuò)散加劇，晶格缺陷增多，從而影響空穴的遷移率和壽命，對(duì)空穴濃度產(chǎn)生負(fù)面影響。在實(shí)際應(yīng)用中，需要綜合考慮溫度對(duì)空穴濃度和其他性能的影響，選擇合適的工作溫度范圍。5.3p型導(dǎo)電機(jī)制5.3.1共摻雜形成的復(fù)合體與p型導(dǎo)電在Cd:O共摻雜AlN體系中，共摻雜形成的復(fù)合體對(duì)p型導(dǎo)電機(jī)制起著關(guān)鍵作用。通過(guò)第一性原理計(jì)算和實(shí)驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn)，Cd和O在AlN晶格中會(huì)形成多種復(fù)合體，其中A-D-A（以Cd?-O復(fù)合體為典型）復(fù)合體的形成尤為重要。在這種復(fù)合體中，兩個(gè)Cd原子（A）與一個(gè)O原子（D）相互作用，形成了獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)。從電子態(tài)密度分析可知，Cd?-O復(fù)合體在AlN的價(jià)帶頂附近引入了新的雜質(zhì)能級(jí)，這些能級(jí)主要由Cd的4d軌道和O的2p軌道雜化形成。這些新引入的雜質(zhì)能級(jí)對(duì)空穴遷移率產(chǎn)生了顯著影響。一方面，雜質(zhì)能級(jí)的存在使得價(jià)帶頂附近的電子態(tài)密度增加，為空穴的產(chǎn)生提供了更多的能態(tài)。當(dāng)價(jià)帶中的電子被激發(fā)到這些雜質(zhì)能級(jí)上時(shí)，就會(huì)在價(jià)帶中留下空穴，從而增加了空穴濃度。另一方面，雜質(zhì)能級(jí)與價(jià)帶頂之間的能量差相對(duì)較小，使得空穴在這些能級(jí)之間的躍遷更加容易，降低了空穴的散射概率，從而提高了空穴遷移率。從晶體結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，Cd?-O復(fù)合體的形成改變了周?chē)鶤l-N鍵的電子云分布。由于Cd原子的半徑大于Al原子，O原子的半徑小于N原子，Cd?-O復(fù)合體的引入導(dǎo)致周?chē)Ц癜l(fā)生畸變。這種晶格畸變使得Al-N鍵的共價(jià)性減弱，離子性增強(qiáng)，電子云分布更加分散。這種電子云分布的改變有利于空穴的傳輸，因?yàn)榭昭ㄔ陔x子性較強(qiáng)的鍵中更容易移動(dòng)。為了更直觀地理解Cd?-O復(fù)合體對(duì)p型導(dǎo)電的影響，我們可以將其與未摻雜AlN和單一摻雜AlN進(jìn)行對(duì)比。在未摻雜AlN中，價(jià)帶頂附近的電子態(tài)密度較低，空穴濃度極低，幾乎不存在p型導(dǎo)電。在單一Cd摻雜AlN中，雖然Cd的引入會(huì)在一定程度上改變電子結(jié)構(gòu)，但由于缺乏O的協(xié)同作用，無(wú)法形成有效的雜質(zhì)能級(jí)，空穴濃度和遷移率的提升有限。而在Cd:O共摻雜AlN中，Cd?-O復(fù)合體的形成有效地提高了空穴濃度和遷移率，使得材料具備了良好的p型導(dǎo)電特性。5.3.2與傳統(tǒng)p型摻雜機(jī)制的對(duì)比將Cd:O共摻雜的p型導(dǎo)電機(jī)制與傳統(tǒng)單一p型摻雜機(jī)制進(jìn)行對(duì)比，能更清晰地凸顯出共摻雜在解決AlNp型摻雜難題上的顯著優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)的單一p型摻雜中，如鎂（Mg）摻雜AlN，其主要的摻雜機(jī)制是Mg原子替代Al原子進(jìn)入晶格。Mg原子的外層電子結(jié)構(gòu)與Al原子不同，它比Al原子少一個(gè)價(jià)電子，因此在晶格中形成受主能級(jí)。當(dāng)價(jià)帶中的電子被激發(fā)到受主能級(jí)上時(shí)，就會(huì)在價(jià)帶中留下空穴，從而實(shí)現(xiàn)p型導(dǎo)電。然而，Mg摻雜存在諸多問(wèn)題。Mg的受主能級(jí)較深，通常在1.5-2.0eV之間，這意味著需要較高的能量才能將價(jià)帶中的電子激發(fā)到受主能級(jí)上，使得空穴的電離較為困難，限制了p型載流子的濃度。Mg在AlN中的固溶度較低，難以實(shí)現(xiàn)高濃度摻雜。由于AlN中的自補(bǔ)償效應(yīng)，Mg摻雜產(chǎn)生的空穴容易被本征施主缺陷（如氮空位）所補(bǔ)償，進(jìn)一步降低了p型導(dǎo)電性能。相比之下，Cd:O共摻雜具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在Cd:O共摻雜體系中，Cd和O之間的協(xié)同作用有效地降低了受主激活能。如前文所述，Cd?-O復(fù)合體的形成使得受主激活能降低至1.04eV，遠(yuǎn)低于單一Mg摻雜的激活能。這使得空穴更容易被激發(fā)到價(jià)帶，增加了p型載流子的濃度。共摻雜提高了雜質(zhì)的固溶度。Cd和O的共同作用改變了AlN的晶格結(jié)構(gòu)和電子云分布，使得它們能夠更穩(wěn)定地存在于晶格中，從而提高了固溶度。在Cd:O共摻雜實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)優(yōu)化摻雜工藝，可以將Cd和O的固溶度提高到一定程度，從而實(shí)現(xiàn)更高濃度的p型摻雜。Cd:O共摻雜還能有效抑制自補(bǔ)償效應(yīng)。由于Cd和O形成的復(fù)合體改變了AlN的電子結(jié)構(gòu)，使得本征施主缺陷的形成能增加，從而減少了本征施主缺陷的濃度，抑制了自補(bǔ)償效應(yīng)。在一些實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)Cd:O共摻雜AlN樣品的缺陷分析發(fā)現(xiàn)，與單一摻雜相比，共摻雜樣品中的氮空位等本征施主缺陷濃度明顯降低，這進(jìn)一步證明了共摻雜在抑制自補(bǔ)償效應(yīng)方面的優(yōu)勢(shì)。從能帶結(jié)構(gòu)的角度來(lái)看，傳統(tǒng)單一p型摻雜的能帶結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，受主能級(jí)較深，與價(jià)帶頂之間的能量差較大。而Cd:O共摻雜的能帶結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，由于雜質(zhì)復(fù)合體的形成，在價(jià)帶頂附近引入了新的雜質(zhì)能級(jí)，這些能級(jí)與價(jià)帶頂之間的能量差較小，有利于空穴的激發(fā)和傳輸。這種能帶結(jié)構(gòu)的差異也是共摻雜在p型導(dǎo)電性能上優(yōu)于傳統(tǒng)單一摻雜的重要原因之一。六、結(jié)果與討論6.1實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析6.1.1樣品結(jié)構(gòu)與成分表征通過(guò)X射線(xiàn)衍射（XRD）實(shí)驗(yàn)對(duì)制備的Cd:O共摻雜AlN樣品的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表征。XRD圖譜顯示，所有樣品均呈現(xiàn)出典型的六方晶系纖鋅礦結(jié)構(gòu)，與理論計(jì)算的結(jié)構(gòu)模型一致。在圖譜中，主要的衍射峰分別對(duì)應(yīng)于AlN的(002)、(100)、(101)、(102)、(110)、(112)等晶面。與純凈AlN的XRD圖譜相比，Cd:O共摻雜AlN樣品的衍射峰位置發(fā)生了微小的偏移。(002)晶面的衍射峰向低角度方向移動(dòng)，這與理論計(jì)算中Cd:O共摻雜導(dǎo)致晶格參數(shù)增大的結(jié)果相符。晶格參數(shù)的增大使得晶面間距d增大，根據(jù)布拉格方程2d\sin\theta=n\lambda（其中\(zhòng)lambda為X射線(xiàn)波長(zhǎng)，n為衍射級(jí)數(shù)，\theta為衍射角），在\lambda和n不變的情況下，d增大則\theta減小，從而導(dǎo)致衍射峰向低角度方向移動(dòng)。為了進(jìn)一步確定樣品的成分和元素化學(xué)狀態(tài)，采用X射線(xiàn)光電子能譜（XPS）進(jìn)行了分析。XPS全譜圖顯示，樣品中存在Al、N、Cd和O元素，證實(shí)了Cd和O成功摻入到AlN晶格中。Al2p的XPS譜峰位于74.5eV左右，對(duì)應(yīng)于Al-N鍵中的Al原子。N1s的譜峰位于397.8eV左右，表明N原子在AlN晶格中的化學(xué)環(huán)境。Cd3d的譜峰可分為Cd3d5/2和Cd3d3/2兩個(gè)峰，分別位于405.5eV和412.3eV左右，這與Cd在化合物中的特征峰位置相符。O1s的譜峰位于531.5eV左右，對(duì)應(yīng)于O原子在Cd-O復(fù)合體或Al-O鍵中的化學(xué)狀態(tài)。通過(guò)對(duì)XPS譜峰的分峰擬合和定量分析，可以得到不同元素的相對(duì)含量和化學(xué)狀態(tài)信息。結(jié)果顯示，Cd和O的摻雜濃度與實(shí)驗(yàn)設(shè)定的摻雜比例基本一致，進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)制備過(guò)程的準(zhǔn)確性。XRD和XPS的分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相互印證。理論計(jì)算預(yù)測(cè)了Cd:O共摻雜會(huì)導(dǎo)致AlN晶格參數(shù)的變化和新的電子結(jié)構(gòu)形成，XRD實(shí)驗(yàn)中衍射峰位置的偏移和XPS實(shí)驗(yàn)中元素化學(xué)狀態(tài)的變化，都為理論計(jì)算提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。這種理論與實(shí)驗(yàn)的相互驗(yàn)證，不僅增強(qiáng)了研究結(jié)果的可靠性，也有助于更深入地理解Cd:O共摻雜對(duì)AlN晶體結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)的影響機(jī)制。6.1.2電學(xué)性能測(cè)試結(jié)果通過(guò)霍爾效應(yīng)測(cè)試對(duì)Cd:O共摻雜AlN樣品的電學(xué)性能進(jìn)行了深入研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Cd:O共摻雜顯著改變了AlN的電學(xué)性能，尤其是在p型導(dǎo)電特性方面。在純凈AlN中，由于本征載流子濃度極低，幾乎不表現(xiàn)出明顯的導(dǎo)電性。而在Cd:O共摻雜AlN樣品中，觀察到了明顯的p型導(dǎo)電特性。隨著Cd:O共摻雜濃度的增加，載流子濃度呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。當(dāng)Cd:O共摻雜濃度為2.78%時(shí)，空穴濃度達(dá)到最大值，約為1.5×101?cm?3。這與理論計(jì)算中預(yù)測(cè)的Cd:O共摻雜在一定濃度下能夠有效提高空穴濃度的