SiC(001)表面重構(gòu)與多型體的第一性原理研究.pdf

1、SiC是一種極具潛力的第三代寬帶隙半導(dǎo)體。由于它具有寬帶隙、高臨界擊穿電場(chǎng)、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和漂移速率等優(yōu)點(diǎn)，在高溫、高頻、高壓、高功率和抗輻射微電子器件中有著重要的應(yīng)用。隨著理論研究的不斷深入及實(shí)驗(yàn)技術(shù)的不斷提高，對(duì)SiC表面原子和電子結(jié)構(gòu)的理論和實(shí)驗(yàn)研究也引起了人們極大的興趣。 本研究以國內(nèi)外已有的研究成果為基礎(chǔ)，參考大量文獻(xiàn)，針對(duì)現(xiàn)有的研究工作中存在的不足和問題，通過廣義梯度近似的密度泛函理論方法系統(tǒng)研究了3C-SiC

2、（001）的（2×1）、（2×2）、（3×2）等表面重構(gòu)模型的原子與電子結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步確定其表面結(jié)構(gòu)的真實(shí)構(gòu)型。3C-S1C（001）表面是極性表面，采取H原子鈍化的層晶超原胞模型。理論計(jì)算分析了3C-SiC，2H-SiC，4H-SiC，6H-SiC這幾種多型體的幾何構(gòu)型、晶格常數(shù)、能帶結(jié)構(gòu)、價(jià)帶寬度、基態(tài)密度等結(jié)構(gòu)特性參量，并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析模擬方法與結(jié)果的正確性。 3C-SiC（001）-（2×1）表面計(jì)算結(jié)果表明該表面為非

3、對(duì)稱性的Si二聚體結(jié)構(gòu)，二聚體Si原子間鍵長(zhǎng)為0.232nm，鍵的扭曲為0.011nm；電子結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果表明，在費(fèi)米能級(jí)處有明顯的態(tài)密度，表面呈金屬性。在帶隙附近存在四個(gè)表面態(tài)，一個(gè)位于費(fèi)米能級(jí)附近，一個(gè)位于費(fèi)米能級(jí)以上5eV處，另外兩個(gè)位于費(fèi)米能級(jí)以下的價(jià)帶中。在帶隙及帶隙附近我們發(fā)現(xiàn)了四個(gè)明顯的表面能帶，分別由σ鍵構(gòu)成的成鍵態(tài)和反鍵態(tài)，π鍵構(gòu)成的成鍵態(tài)和反鍵態(tài)組成。 計(jì)算了3C-SiC（001）-（2×2）表面的原子及電子結(jié)

4、構(gòu)。結(jié)果表明該表面為對(duì)稱性的C二聚體結(jié)構(gòu)，二聚體C=C雙鍵長(zhǎng)為1.37A；在費(fèi)米能級(jí)處有明顯的態(tài)密度，表面呈金屬性。表面C原子在帶隙及帶隙附近有三個(gè)明顯的表面態(tài)帶，一個(gè)位于費(fèi)米能級(jí)以下1eV處，另兩個(gè)位于費(fèi)米能級(jí)附近，其中一個(gè)位于價(jià)帶頂附近，另一個(gè)處于導(dǎo)帶中，這兩個(gè)帶相差1eV左右。在費(fèi)米能級(jí)以下的價(jià)帶中，也有三個(gè)明顯的表面態(tài)帶，其中兩個(gè)位于費(fèi)米能級(jí)以下3eV左右，還有一個(gè)位于價(jià)帶底。費(fèi)米能級(jí)附近的態(tài)帶分別是由表面C原子的p軌道形成，π

5、鍵構(gòu)成的成鍵態(tài)和反鍵態(tài)組成。 對(duì)Si富集的3C-SiC（001）-（3×2）表面TAADM重構(gòu)模型的原子與電子結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)分析。計(jì)算結(jié)果表明：該表面為非對(duì)稱的二聚體結(jié)構(gòu)，其鍵長(zhǎng)為2.24A；表面有4個(gè)明顯的表面態(tài)帶，其中費(fèi)米能級(jí)附近的2個(gè)表面態(tài)帶是由于表面Si原子懸掛鍵的成鍵態(tài)和反鍵態(tài)所形成的。費(fèi)米能級(jí)附近的帶系寬度為1eV左右，表面呈半導(dǎo)體性質(zhì)。計(jì)算得到的能帶結(jié)構(gòu)圖和電荷密度圖，分別同ARPES和STM實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得很好。

6、 論文還探討了3C、2H、4H、6HSiC的價(jià)帶結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)其價(jià)帶均由兩個(gè)子帶組成。對(duì)于3C-SiC，低能量子帶部分主要由Si3s、Si3p和C2s組成；高能量子帶部分主要由Si3s、Si3p、Si3d和C2s、C2p組成。在高能量子帶部分，其低能區(qū)主要由Si3s和C2p組成，高能區(qū)主要由Si2p和C2p組成。其價(jià)帶頂位于布里淵區(qū)的Γ點(diǎn)，具有三重簡(jiǎn)并；導(dǎo)帶底位于布里淵區(qū)的M點(diǎn)，具有二重簡(jiǎn)并。對(duì)于2H-SiC與4H-SiC，其低能與高

7、能子帶的構(gòu)成與3C-SiC一致。2H-SiC的價(jià)帶頂位于布里淵區(qū)中心Γ點(diǎn)，具有二重簡(jiǎn)并，緊接其能量以下是單重態(tài)。導(dǎo)帶底位于K點(diǎn)，具有單重態(tài)；第二導(dǎo)帶底則位于M點(diǎn)附近。4H-SiC的價(jià)帶頂位于布里淵區(qū)中心Γ點(diǎn)，具有二重簡(jiǎn)并，緊接其能量以下是單重態(tài)。導(dǎo)帶底位于M點(diǎn)，不同于2H-SiC能帶；第二導(dǎo)帶底也位于M點(diǎn)，與導(dǎo)帶底僅相差0.13eV。6H-SiC的價(jià)帶主要由Si3p和C2p組成；導(dǎo)帶端也有很強(qiáng)的Si3p和C2p特征。在離價(jià)帶頂7.2eV