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自从采用化学气相沉积法来制备金刚石以后,金刚石膜的真空制备和各种物理化学特性已经被研究了许多年。因为金刚石具有许多独一无二的独特性质,如优异的力学,光学,电学和化学等性质,所以它可以被应用到很多高技术领域,可以满足一系列工业应用或者特殊应用的要求。对金刚石进行掺杂是制备类金刚石半导体器件的一种有效方法。通过这种掺杂方法可以改善金刚石的电学特性,定制符合特定应用的半导体器件。而研究如何进行高效率的金刚石掺杂和分析金刚石掺杂后获得怎样的优异特性等内容一直是人们研究的热点。近几十年来,P型掺杂金刚石(主要是硼掺杂金刚石)的研究和应用已经很成熟和日益扩展,但N型金刚石的制备还处于初始阶段,并没有获得很大的进展,这使得很多需要N型金刚石来制备的半导体器件的发展受到了很大的制约。因此,本文通过密度泛函理论的第一性原理的方法,分别计算和研究几种不同掺杂方式的N型掺杂金刚石的电学性质,从而为实验设计提供合理的理论依据和指导。
为了更好的理解磷掺杂金刚石薄膜的成键机理和不同磷掺杂浓度对金刚石晶格的完整性及其电导率的影响,本文通过第一性原理的方法计算了不同磷掺杂浓度的金刚石晶格的电子结构和引进空位后磷掺杂金刚石薄膜的态密度。计算的结果表明,一方面,磷原子只对它附近的几个原子内的成键有影响,电导率随着掺杂浓度的增加而增加。而另一方面,当在总原子数为64的金刚石晶格中磷原子非最近邻位置增加一个空位后,我们发现不但可以改善磷掺杂金刚石薄膜的损伤,还可以有效地提高n型金刚石薄膜的电子电导率。
本文还通过密度泛函理论的第一性原理的方法计算了晶胞大小为64个原子的未掺杂金刚石,磷掺杂金刚石,硼磷掺杂金刚石和氮磷掺杂金刚石等的结合能和电子结构,研究了不同原子共掺杂或者不同掺杂方式对金刚石电学性质的影响。分析结果表明,双原子共掺杂金刚石的稳定性比单一原子掺杂金刚石的稳定性要高,而且双原子共掺杂金刚石可以获得比单一掺杂金刚石要好的电导率；而共掺杂原子半径的大小和掺杂方式对共掺杂金刚石有很大的影响:无论是以原子对的形式掺杂还是以非原子对的形式掺杂,硼磷掺杂金刚石的电导率基本保持一致；而氮磷掺杂金刚石的情况则与硼磷掺杂金刚石的不同,以非原子对形式掺杂的氮磷掺杂金刚石的电导率比以原子对形式掺杂的要好。
最后,本文通过密度泛函理论的方法计算了金刚石和不同浓度的锂磷共掺杂金刚石晶胞的态密度和Mulliken布居分析,详细地分析了锂磷共掺杂金刚石薄膜的成键情况和锂原子对缺陷以及电导率的影响。计算的结果表明,锂原子的掺入可以促进费米能级附近的能带分裂,从而提高锂磷共掺杂金刚石薄膜的电导率,甚至使得锂磷共掺杂金刚石向导体的方向转变。另外,半径比较小的锂原子还可以调节磷原子引起的晶格扭曲和膨胀,而有效地改善锂磷共掺杂金刚石的缺陷和空位。