ZnS宽禁带半导体毕业设计_精品文档Word下载.doc
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电子结构如闪锌矿ZnS晶体的能带结构，态密度。
光学性质如反射率，吸收光谱，复数折射率，介电函数，光电导谱和损失函数谱。
通过对其能带及结构的研究，可知闪锌矿硫化锌为直接带隙半导体，通过一系列对光学图的分析，可以对闪锌矿ZnS的进一步研究做很好的预测。
关键词ZnS；
宽禁带半导体；
第一性原理；
闪锌矿结构
First-principlesResearchonPhysicalPropertiesofWideBandgapSemiconductorZnS
Abstract
Zincsulfide（ZnS）isanewfamilyofII-VIwidebandgapelectronicexcessintrinsicsemiconductormaterialwithgoodphotoluminescencepropertiesandelectroluminescentproperties.Atroomtemperaturebandgapis3.7eV，andthereisgoodopticaltransmissioninthevisibleandinfraredrangeandlowdispersion.ZnSandZnS-basedalloyinthefieldofsemiconductorresearchhasbeenpaidmoreandmoreattention.Becauseoftheirwidedirectbandgapandlargeexcitonbindingenergy,thephotovoltaicdevicehasagoodprospect.
ThisthesisdescribesthecurrentresearchstatusandstructureofnatureandtechnicalapplicationsonwidebandgapsemiconductorZnS.Describedthebasicprinciplesdensityfunctionaltheory,makeadetailedsummaryforthebasisoffirstprinciplestheoreticalcalculations,usingthedensityfunctionaltheorygeneralizedgradientapproximation（GGA）undertheplanewavepseudopotentialmethod,calculatedusingCastepsoftwaresphaleriteZnScrystalstructureofelectronicstructureandopticalproperties.Electronicstructures,suchassphaleriteZnScrystalbandstructure,densityofstates.Opticalpropertiessuchasreflectance,absorptionspectra,complexrefractiveindex,dielectricfunction,opticalconductivityspectrumandthelossfunctionspectrum.BandandthestructurethroughitsresearchknownaszincblendeZnSdirectbandgapsemiconductor,Throughaseriesofopticalmapanalysis,canmakeagoodpredictionforfurtherstudyonzincblendeZnS.
KeywordsZnS;
Widebandgapsemiconductor;
First-principles;
Zincblendestructure
-II-
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1ZnS半导体材料的研究背景 1
1.2ZnS的基本性质和应用 1
1.3ZnS材料的研究方向和进展 3
1.4ZnS的晶体 4
1.4.1ZnS晶体结构 4
1.4.2ZnS的能带结构 6
1.5ZnS的发光机理 7
1.6研究目的和主要内容 8
第2章计算理论与计算方法 9
2.1相关理论 9
2.1.1密度泛函理论 9
2.1.2交换关联函数近似 11
2.2总能量的计算 13
2.2.1势平面波方法 14
2.2.2结构优化 16
2.3CASTEP软件包功能特点 18
第3章ZnS晶体电子结构和光学性质 19
3.1闪锌矿结构ZnS的电子结构 19
3.1.1晶格结构 19
3.1.2能带结构 20
3.1.3态密度 21
3.2闪锌矿ZnS晶体的光学性质 24
结论 30
致谢 31
参考文献 32
附录A 33
附录B 45
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-III-
第1章绪论
1.1ZnS半导体材料的研究背景
Si是应用最为广泛的半导体材料，现代的大规模集成电路之所以成功推广应用，关键就在于Si半导体在电子器件方面的突破。
直接利用Si作为发光器件是不理想的，原因在于硅是窄带隙的间接半导体，带隙是1.12eV，不仅发光效率极低，发光波长范围也仅处于红外区域。
结构上呈现稳定的金刚石类型结构，吸收能量后大量光生载流子会由于声子的参与而不能参与复合发光，会以热能的形式散失掉，效率极低，这就制约了Si在光电器件方面的应用推广。
但是，Si材料毕竟有着成熟的应用，所以选择在Si上长各种异质半导体薄膜器件成了较好的选择。
ZnS是一种重要的宽带隙（室温下禁带宽约为3.7eV）[1]半导体材料，是一种具有较高带隙能量的非线性光学材料，另外ZnS还具有介电常数低、机电耦合系数大、光学透过率高、化学性能稳定等优点及其优异的光电、压电、气敏等特性，而且具有其原材料丰富易得、价格低廉、无毒等优点。
因此在非线性光学器件、发光器件、表面声波器件、太阳能电池、紫外光探测器、半导体激光器及集成光学等领域有广泛的应用前景[2]，正是由于近年来Ⅱ-Ⅵ族二元和三元化合物半导体在太阳电池方面的应用，进而引起了人们极大的兴趣，其发展前景非常广阔，所以，研究ZnS薄膜的制备变得越来越重要。
是目前最具有开发潜力的薄膜材料之一。
由于高质量的ZnS薄膜在光电子领域具有非常广泛的应用前景，近十几年来，吸引了广大研究人员的研究兴趣，人们围绕ZnS薄膜的制备、掺杂和器件开发等方面开展了广泛深入的研究，在上述各项研究中有重大的突破，ZnS薄膜在制备，光电性能等方面有显著的提高。
1.2ZnS的基本性质和应用
关于ZnS材料的研究已经有着相当长的历史了，法国的化学家SIDOT在1866年就发现了ZnS这种材料。
其禁带宽度是3.7eV，是Ⅱ-Ⅵ族化合物中带隙最宽的一种半导体材料，而且还是直接带隙，激子束缚能38meV比室温下的热离化能26meV高[1]，因此可以实现室温下激子发射，另外，它还具有较高的热稳定性和化学稳定性，优异的光学、电学特性使得它在当今高科技领域有着极其广泛的应用，如：
在a粒子检测器、光发射器件、太阳能电池、红外窗口材料、以及阴极射线荧光屏等方面，尤其是近些年来，通过掺杂技术，以ZnS材料基质，掺杂各种金属粒子或稀土元素，开发各种薄膜电致发光器件（如Ag,Cu,Tb,Mn等），已经逐渐实用化并走向商业市场。
具比较，ZnS材料是迄今为止最好的掺杂发光材料的基质，将在半导体发光二极管（LED）、激光二极管（LD）等光电子器件方面有很好的应用潜力和前景。
ZnS薄膜具有非常广泛的应用前景，下面简单介绍几种主要应用：
（1）制作紫外光探测器。
利用ZnS的宽禁带和高光电导特性，可制作紫外光探测器。
有研究表明，ZnS的光反应包括快速和慢速两个过程：
电子空穴对的产生过程以及硫吸收和光解析过程。
（2）可与GaN互作缓冲层。
GaN作为一种宽禁带半导体材料，在光电子器件及高温、高功率器件中有着广泛的应用前景。
在GaN的生长中，一个关键问题是缓冲层的生长，这个缓冲层可以为GaN外延生长提供一个平整的成核表面。
由于晶格失配[3]，要生长出高质量的GaN材料及其合金如In1-xGaxN、Al1-xGaxN等比较困难。
用蓝宝石等衬底生长出的GaN的缺陷密度比较高。
研究表明，商用GaN的发光管位错密度高达10Io／cm2[4]，而用ZnS作缓冲层基本上不会出现上述问题，ZnS晶格与GaN晶格失配度仅为1.7％。
另外，ZnS的电导率较大，因此用ZnS作GaN的缓冲层或衬底比其它材料要好的多。
同样GaN也可以作ZnS的缓冲层或衬底。
（3）太阳能电池。
掺Al的ZnS薄膜（ZnS,A1），具有很高的电导率和在可见光区的高光学透过率，因此可以用于太阳能电池上，作为减反射层和透明电极，可以大大提高太阳能的转换率，ITO（In2O3,-Sn）薄膜太阳能电池的转换率约为13％-16％[4]。
ZnS-AI薄膜不仅有ITO薄膜相比拟的光电性能，而且具有价格低廉、无毒、高热稳定性和在氢等离子体环境中具有很高的化学稳定性等优点，成为ITO薄膜的最佳代替材料。
对太阳能电池的发展具有重要意义。
（4）表面声波器件（SAWD）。
ZnS薄膜具有优良的压电性能，如高机电耦合系数和低介电常数，是一种用于体声波（BAW）尤其是表面波（SAW）的理想材料，因此可以用来制作超声换能器、Bragg偏转器、频谱分析仪、高频虑波器、高速光开关等，这些器件在大容量、高速率光纤通信的波分复用、光纤相位调制及反雷达动态测频、电子侦探、卫星移动等民用和军事领域有重要的应用。
随着薄膜制备技术的飞速发展，高质量的ZnS薄膜的外延生长不断取得进步，ZnS薄膜材料在制备低损、高频的SAWD上不断取得新的突破。
特别是随着移动通信行业的迅猛发展，ZnS薄膜式声表面波低损高频滤波以其体积小，可集成化，滤波频率高等突出特性，已成为3G通信所关注的焦点。
Nakahata等人制备的Si02／ZnS／Diamond多层薄膜复合SAW滤波器使用工作频率达2.5GHz[4]，Kadotat等人用电子回旋加速器溅射制备的ZnS薄膜电阻率p>
1010Ω·
cm[2]，能产生强烈的高频声表面波2004年，Chen等人用直流反应磁控溅射法制备的ZnS薄膜具有良好的C
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