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《SiC的第一性原理研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、用第一性原理分析SiC的晶体结构、能带结构和态密度在半导体材料的发展中,一般将Si和Ge称为第一代电子材料,上世纪60年代,发展了第二代电子材料,包括GaAs、InP、GaPInAs、AlAs及其合金等。随着微电子技术、光电子技术的飞速发展,常规半导体如Si、GaAs等已面临严峻挑战,人们对能在极端条件(高温、高频、大功率、强辐射)下工作的电子器件的需求越来越迫切。因而继第一代第二代半导体材料以后发展第三代宽带隙(Eg＞2.3eV)高温半导体材料,即SiC、GaN、AlN、金刚石等已成当务之急。作为第三代的半导体材料
2、,SiC具有宽带隙、高热导率、电子的饱和漂移速度大、临界击穿电场高和介电常数低、化学稳定性好等特点,在高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件及紫外探测器等方面具有广泛的应用前景。目前已发现的SiC的晶型有200多种，但95%以上的都是3C、4H、6H晶型。现在运用第一性原理对这三种晶型进行分析。13C-SiC、4H-SiC、6H-SiC的晶体结构运用MaterialStudio软件中的CASTEP模块进行基于密度泛函理论的第一性原理计算，首先根据文献中的空间群结构和晶格常数建立晶体结构，然后进行结构优化，结构优化采
3、用超软赝势（ultrasoftpseudopotential）的方法描述离子实与价电子之间相互作用（C2s22p2，Si3s23p2），以广义梯度近似（GGA）为交换势和PBE为泛函数。对SiC进行计算时，能量的收敛标准是5×10-6eV/aton，单原子最大受力为00.2GPa，原子位移量偏差不超过2×10-5eV/aton，截断能选取的是310eV，kpoint选择的是6×6×6，优化后的晶体结构如图1所示abcSi:C:Fig.1crystalstructureofa:3C-SiC,b:4H-SiC,c:6H-
4、SiC由文献MadelungO.Semiconductors·Semiconductors·GroupIVElements,IV-IVandIII-VCompounds.Berlin:Springer,1991.47~57，得到3C-SiC、4H-SiC、6H-SiC的空间群和结构常数如表1.Table.1latticeconstantof3C-SiC、4H-SiC、6H-SiCCompoundSpacegroupLatticeconstant[1]latticeconstant3C-SIC4H-SiC6H-SICF
5、43mP63mcP63mca=4.3596Åa=3.073Åc=10.053Åa=3.0806Åc=15.1173Åa=4.370522Åa=3.089272Åc=10.112362Åa=3.090582Åc=15.145750Å根据文献1，利用MaterialsStudio构建了三种结构的SiC的晶体结构，Fig.1中列出了优化后的晶体结构，优化后的晶格常数与文献差别小于5%。23C-SiC、4H-SiC、6H-SiC的能带结构abcFig.2Bandstructureofa:3C-SiC,b:4H-SiC,c:6
6、H-SiC图2中分别给出3c-SIC、4H-SiC、6H-SIC三种晶体单胞算出的能带结构从a可以看出3C-SiC价带顶位于布里渊区中心的Ґ点，导带低位于布里渊区的X点，属于间接带隙半导体，其禁带宽度为1.384eV，小于实验值2.417eVV.Cimalla,J.Pezoldt,O.Ambacher.GroupIIINitrideandSiCBasedMEMSandNEMS:MaterialsProperties,TechnologyandApplications.AppliedPhysics.2007,40(20
7、):6386-6434.6,9,28,31,33，这也是因为GGA计算结果通常都比实验值小。。从图b可以看出4H-SiC价带顶位于布里渊区的Ґ点，导带低位于布里渊区的F点，为间接带隙半导体，禁带宽度为2.233eV，而实验值为3.33eV[2]。从图c可以看出6H-SiC为间接带隙半导体，禁带宽度为2.045eV，而实验值为3.33eV[2]。其价带顶位于布里渊区中心Ґ点，具有3重简并，而导带低位于M点，具有单重态。3.3c-SIC、4H-SiC、6H-SIC的态密度abcFig.3Densitystateofa:3
8、C-SiC,b:4H-SiC,c:6H-SiC由图Fig.3(a)可知，3C-SiC的价带由两个子带组成，低能量子带部分主要有Si原子的3s、3p和C原子的2s轨道组成；高能量子带部分主要由Si原子的3s、3p和C原子的2p轨道组成。而导带中，低能带主要由Si的3s、3p和C的2p轨道组成，高能带主要由Si的3p和C的2p轨道组成。由能带图跟态
