何静芳 吴 一 史茹倩 周鹏力 郑树凯＊,

(1河北大学电子信息工程学院计算材料与器件模拟研究中心，保定071002)

(2西安电子科技大学通信工程学院，西安710071)

Ga-F共掺杂ZnO导电性和透射率的第一性原理计算

何静芳1,2吴 一1史茹倩1周鹏力1,2郑树凯＊,1

(1河北大学电子信息工程学院计算材料与器件模拟研究中心，保定071002)

(2西安电子科技大学通信工程学院，西安710071)

采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势方法，对本征ZnO，Ga、F单掺ZnO和Ga-F共掺ZnO的几何结构进行优化后计算了各体系的相关性质。结果表明各掺杂体系有各自的优缺点，在制作透明导电薄膜时可根据具体要求采取不同的掺杂方案。Ga掺杂ZnO比F掺杂ZnO的晶格畸变小。相同环境下Ga原子比F原子更容易进入ZnO晶格，因此掺杂后结构更加稳定。Ga、F掺杂都改善了ZnO的导电性，掺杂ZnO的载流子浓度比本征ZnO增加了3个数量级，相同浓度的F掺杂比Ga掺杂能产生更多的载流子。Ga-F共掺杂ZnO折中了上述Ga、F单掺杂ZnO的优缺点。另外，掺杂后ZnO的吸收边蓝移，以Ga-F共掺杂ZnO在紫外区域的透射率最大，在280～380 nm范围内其透射率在90%以上。

ZnO；第一性原理；载流子浓度；光学性质；透射率

0 引言

透明导电氧化物(TCO)薄膜具有禁带宽、可见光谱区光透射率高和电阻率低等光电特性，广泛地应用于太阳能电池、平面显示、特殊功能窗口涂层及其它光电器件领域。传统的TCO材料为掺锡氧化铟(ITO)，但是铟为稀散元素，价格较高，而且ITO应用于太阳能电池时在等离子体中不够稳定[1]。相比之下，六方纤锌矿型ZnO基薄膜由于其原料易得、制造成本低廉、无毒、易于实现掺杂，且在等离子体中稳定性好等优点，有可能成为ITO的替代产品。……