Intrinsicn-type versusp-type doping asymmetry and the defect physics of ZnO

兴奋剂 类型(生物学) 物理 空位缺陷 杂质 结晶学 发光 掺杂剂 凝聚态物理 原子物理学 材料科学 化学 量子力学 光电子学 生物 冶金 生态学
作者
Shengbai Zhang,Su‐Huai Wei,Alex Zunger
出处
期刊:Physical review 卷期号:63 (7) 被引量:1746
标识
DOI:10.1103/physrevb.63.075205
摘要

ZnO typifies a class of materials that can be doped via native defects in only one way: either n type or p type. We explain this asymmetry in ZnO via a study of its intrinsic defect physics, including ${\mathrm{Zn}}_{\mathrm{O}},$ ${\mathrm{Zn}}_{i},$ ${\mathrm{V}}_{\mathrm{O}},$ ${\mathrm{O}}_{i},$ and ${V}_{\mathrm{Zn}}$ and n-type impurity dopants, Al and F. We find that ZnO is n type at Zn-rich conditions. This is because (i) the Zn interstitial, ${\mathrm{Zn}}_{i},$ is a shallow donor, supplying electrons; (ii) its formation enthalpy is low for both Zn-rich and O-rich conditions, so this defect is abundant; and (iii) the native defects that could compensate the n-type doping effect of ${\mathrm{Zn}}_{i}$ (interstitial O, ${\mathrm{O}}_{i},$ and Zn vacancy, ${V}_{\mathrm{Zn}}),$ have high formation enthalpies for Zn-rich conditions, so these ``electron killers'' are not abundant. We find that ZnO cannot be doped p type via native defects $({\mathrm{O}}_{i},{V}_{\mathrm{Zn}})$ despite the fact that they are shallow (i.e., supplying holes at room temperature). This is because at both Zn-rich and O-rich conditions, the defects that could compensate p-type doping ${(V}_{\mathrm{O}}{,\mathrm{}\mathrm{Zn}}_{i},{\mathrm{Zn}}_{\mathrm{O}})$ have low formation enthalpies so these ``hole killers'' form readily. Furthermore, we identify electron-hole radiative recombination at the ${V}_{\mathrm{O}}$ center as the source of the green luminescence. In contrast, a large structural relaxation of the same center upon double hole capture leads to slow electron-hole recombination (either radiative or nonradiative) responsible for the slow decay of photoconductivity.
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