（凝聚态物理专业论文）sic001表面重构与多型体的第一性原理研究.pdf

摘要 s i c 是一种极具潜力的第三代宽带隙半导体 由于它具有宽带隙 高临界击穿电场 高热导率 高载流子饱和漂移速率等优点 在高温 高频 高压 高功率和抗辐射微电子器件中有着重要的应用 随着理 论研究的不断深入及实验技术的不断提高 对s i c 表面原子和电子结 构的理论和实验研究也引起了人们极大的兴趣 本研究以国内外已有的研究成果为基础 参考大量文献 针对现 有的研究工作中存在的不足和问题 通过广义梯度近似的密度泛函理 论方法系统研究了3 c s i c 0 0 1 的 2 1 2 2 3 2 等表面 重构模型的原子与电子结构 进一步确定其表面结构的真实构型 3 c s i c 0 0 1 表面是极性表面 采取h 原子钝化的层晶超原胞模型 理论计算分析了3 c s i c 2 h s i c 4 h s i c 6 h s i c 这几种多型体的 几何构型 晶格常数 能带结构 价带宽度 基态密度等结构特性参 量 并与实验数据对比分析模拟方法与结果的正确性 3 c s i c 0 0 1 一 2 1 表面计算结果表明该表面为非对称性的s i 二聚体结构 二聚体s i 原子问键长为0 2 3 2n m 键的扭曲为0 o l i n m 电子结构计算结果表明 在费米能级处有明显的态密度 表面呈金属 性 在带隙附近存在四个表面态 一个位于费米能级附近 一个位于 费米能级以上5 e v 处 另外两个位于费米能级以下的价带中 在带隙 及带隙附近我们发现了四个明显的表面能带 分别由仃键构成的成键 态和反键态 万键构成的成键态和反键态组成 计算了3 c s i c 0 0 1 一 2 2 表面的原子及电子结构 结果表明 该表面为对称性的c 二聚体结构 二聚体c c 双键长为1 3 7 a 在费 米能级处有明显的态密度 表面呈金属性 表面c 原子在带隙及带隙 附近有三个明显的表面态带 一个位于费米能级以下l e v 处 另两个 位于费米能级附近 其中一个位于价带顶附近 另一个处于导带中 这两个带相差l e v 左右 在费米能级以下的价带中 也有三个明显的 表面态带 其中两个位于费米能级以下3 e v 左右 还有一个位于价带 底 费米能级附近的态带分别是由表面c 原子的p 轨道形成 万键构 成的成键态和反键态组成 对s i 富集的3 c s i c 0 0 1 一 3 2 表面t a a d m 重构模型的原子 与电子结构进行了详细分析 计算结果表明 该表面为非对称的二聚 体结构 其键长为2 2 4a 表面有4 个明显的表面态带 其中费米 能级附近的2 个表面态带是由于表面s i 原子悬挂键的成键态和反键 态所形成的 费米能级附近的带系宽度为l e v 左右 表面呈半导体 性质 计算得到的能带结构图和电荷密度图 分别同a r p e s 和s t m 实 验数据吻合得很好 论文还探讨了3 c 2 h 4 h 6 hs i c 的价带结构 发现其价带均 由两个子带组成 对于3 c s i c 低能量子带部分主要由s i3 s s i3 p 和c2 s 组成 高能量子带部分主要由s i3 s s i3 p s i3 d 和c2 s c2 p 组成 在高能量子带部分 其低能区主要由s i3 s 和c2 p 组成 高能区主要由s i2 p 和c2 p 组成 其价带顶位于布里渊区的r 点 具有三重简并 导带底位于布里渊区的m 点 具有二重简并 对于 2 h s i c 与4 h s i c 其低能与高能子带的构成与3 c s i c 一致 2 h s i c 的价带顶位于布里渊区中心r 点 具有二重简并 紧接其能量以下是 单重态 导带底位于k 点 具有单重态 第二导带底则位于m 点附近 4 h s i c 的价带顶位于布里渊区中心r 点 具有二重简并 紧接其能 量以下是单重态 导带底位于m 点 不同于2 h s i c 能带 第二导带 底也位于m 点 与导带底仅相差0 1 3 e v 6 h s i c 的价带主要由s i3 p 和c2 p 组成 导带端也有很强的s i3 p 和c2 p 特征 在离价带顶 7 2 e v 以下有很尖的c2 p s i3 s 能带特性 其价带项位于布里渊区 中心r 点 具有二重简并 紧接其能量以下是单重态 导带底位于m 点附近的u 点 0 0 0 0 0 5 0 0 0 1 7 6 关键词 s i c 3 c s i c 0 0 1 表面 密度泛函理论计算 原子结构 电 子结构 a b s t r a c t s i ch a sl o n gb e e nr e c o g n i z e da sag r e a tp o t e n t i a lo ft h et h i r dg e n e r a t i o nw i d e b a n d g a ps e m i c o n d u c t o rw i t hw i d eb a n d g a p h i g hc r i t i c a lb r e a k d o w nf i e l d h i g h c o n d u c t i v i t y h i g hs a t u r a t e dc a r r i e rd r i f tr a t ef o rh i g h t e m p e r a t u r e h i g h f r e q u e n c y h i g h p r e s s u r eh i g h p o w e ra n da n t i r a d i a t i o na p p l i c a t i o n s w i t ht h ed e e p e n i n go f t h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a lt e c h n o l o g y r e s e a r c h e r sh a v eg r e a ti n t e r e s ti n t h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a ls t u d i e sf o rt h es u r f a c eo fs i ca t o m i ca n de l e c t r o n i c s t r u c t u r e b a s e do nt h er e s u l t so ft h en e w e s ts t u d ya n dal a r g en u m b e ro fr e f e r e n c e s w e s y s t e ms t u d yt h ea t o m i ca n de l e c t r o n i cs t r u c t u r eo f3 c s i c 0 0 1 2 1 2 x 2 3 x 2 s u r f a c e u s i n gd e n s i t yf u n c t i o n a lc a l c u l a t i o n s w i t h i nt h e g e n e r a l i z e dg r a d i e n t a p p r o x i m a t i o nt od e t e r m i n et h es t r u c t u r eo ft h er e a lm o d e l t h ed a n g l i n gb o n d so ft h e b o t t o m c a r b o nl a y e ra r es a t u r a t e dw i t hh y d r o g e na t o m st oe l i m i n a t et h e i re f f e c t st ot h e s u r f a c e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t et h ea t o m i cs t r u c t u r e t h el a t t i c ec o n s t a n t t h eb a n d s s t r u c t u r e t h eb a n dg a pa n dt h ed e n s i t yo fe l e c t r o n i cs t a t e so f3 c s i c 2 h s i c 4 h s i c 6 h s i cc o m p a r e dw i t he x p e r i m e n t s w ec a l c u l a t et h ea t o m i ca n de l e c t r o n i cs t r u c t u r eo f3c s i c 0 01 2 1 s u r f a c e t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ea t o m i cs t r u c t u r eo f3 c s i c 0 0 1 一 2 1 s u r f a c e c a nb ed e s c r i b e db yd i s s y m m e t r i c a ls id i m e rm o d e l 1 1 1 eb o n dl e n g t ho fs id i m e ro f 3 c s i c 0 01 一 2 1 s u r f a c ei so 2 3 2n l n ap r o m i n e n td e n s i t yo fs t a t e se x i s t sa tt h e f e r m i l e v e l s o3 c s i c 0 01 一 2 1 s u r f a c eh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e t a l t h e r ea r e f o u rs u r f a c es t a t eb a n d si nt h eg a p o n eo fw h i c he x i s t sn e a rt h ef e r m il e v e l o n eo f w h i c he x i s t sa t5 e va b o v ef e r m i l e v e l a n do t h e r se x i s ti nt h ev a l e n c eb a n d sb e l o w f e r m i l e v e l w ec a l c u l a t et h ea t o m i ca n de l e c t r o n i cs t r u c t u r eo f3 c s i c 0 01 一 2 2 s u r f a c e t h ec a l c u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ea t o m i cs t r u c t u r eo f3 c s i c 0 0 1 2 2 s u r f a c e c a nb ed e s c r i b e db ys y m m e t r i c a lcd i m e rm o d e l t h eb o n dl e n g t ho fcd i m e ro f 3 c s i c 0 01 一 2 2 s u r f a c ei s1 3 7 a t h ec a l c u l a t e dr e s u l t so fe l e c t r o n i cs t r u c t u r e s h o wt h a ta p r o m i n e n td e n s i t yo fs t a t e se x i s t sa tt h ef e r m il e v e l s o3 c s i c 0 01 2 2 s u r f a c eh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fm e t a l t h e r ea r et h r e es u r f a c es t a t eb a n d si nt h eg a p o r i g i n a t i n gf r o ms y m m e t r i c 万 a n da n t i s y m m e t i c 万 l i n e a rc o m b i n a t i o n so ft h e d a n g l i n g b o n db o r i t a l sa tt h et w od i m e ra t o m sa n dps t a t e so fca t o m sa tt h es u r f a c e o n eo fw h i c he x i s t sa t1e vb e l o wt h ef e r m i l e v e l t w oo fw h i c he x i s tn e a rt h ef e r m i l e v e lw i t hle vg a p t h e r ea r ea l s ot h r e es u r f a c es t a t eb a n d si nt h ev a l e n c eb a n d s t w o o fw h i c he x i s t sa t3 e vb e l o wt h ef e r m i l e v e l o n eo fw h i c he x i s t sa tt h eb o t t o mo ft h e v a l e n c eb a n d s w eh a v ep e r f o r m e dd e t a i l e da t o m i ca n de l e c t r o n i cs t r u c t u r ec a l c u l a t i o n so n t a a dm o d e lo ft h es i l i c o n r i c h 3 2 r e c o n s t r u c t i o no fc u b i cs i l i c o nc a r b i d e i ti s f o u n dt h a ta s y m m e t r i cd i m e r sa r ef c i r m e di nt h et o pa d l a y e rw i t had i m e r b o n dl e n g t h o f2 2 4a t h ec a l c u l a t e dr e s u l t so fe l e c t r o n i cs t r u c t u r es h o wt h a tt h e r ea r ef o l u r s u r f a c es t a t eb a n d si nt h eg a p t w oo fw h i c hr e s u l t sf r o mb o n d i n ga n da n t i b o n d i n g c o m b i n a t i o n so ft h ed a n g l i n g b o n ds t a t e sa tt h eu pa n dd o w na t o m so ft h et o pa d l a y e r d i m e r s i ti so b v i o u st h es u r f a c eo ft a a d mi ss e m i c o n d u c t i n gw i t hab a n dg a pa b o u t 1e v t h ec a l c u l a t e ds u r f a c e b a n ds t r u c t u r ea n dt h ec h a r g e d e n s i t yc o n t o u r sf o r t a a d ma r ei nv e r yg o o da g r e e m e n tw i t ha r p e sa n ds t m d a t a r e s p e c t i v e l y w ec a l c u l a t et h eb a n d ss t r u c t u r eo f3 c 2 h 4 h 6 hs i c a l lo fw h i c ha r e c o m p o s e do ft w os u b b a n d s t h ev a l e n c eb a n do f3 c s i ci sc o m p o s e do ft w o s u b b a n d s t h el o w e rb a n d so fw h i c ha r em a i n l yc o m p o s e do fs i3 s s i3pa n dc2 s t h eh i g h e rb a n d so fw h i c ha r em a i n l yc o m p o s e do fs i 3s s i3 p s i3da n dc2 s c2 p t h eh i g h e rb a n d sa r em a i n l yc o m p o s e do fs i3 sa n dc 2 pa th i g h e rp a r ta n ds i2 pa n d c2 da t1 0 w e rp a r t t h et o po ft h e3 c s i cv a l e n c eb a n di sa tfp o i n to ft h eb r i l l o u i n z o n ew i t hat h r e e f o i dd e g e n e r a t es t a t ea n dt h eb o t t o mo ft h ec o n d u c t i o nb a n di sa tm p o i n to fb r i l l o u i nz o n ew i t had o u b l yd e g e n e r a t es t a t e t h el o w e rb a n d sa n dt h e h i g h e rb a n d so f2 h s i ca n d4 h s i ca r es i m i l a rt o3 c s i c t h et o po ft h e2 h s i c v a l e n c eb a n di sa tfp o i n to ft h eb r i l l o u i nz o n ew i t had o u b l yd e g e n e r a t es t a t ea n dt h e b o t t o mo ft h ec o n d u c t i o nb a n di sa tk p o i n to fb r i l l o u i nz o n ew i t has i n g l es t a t e t h e s e c o n db o t t o mo fc o n d u c t i o nb a n di sn e a rm p o i n to fb r i l l o u i nz o n e t h et o po ft h e 4 h s i c v a l e n c eb a n di sa tfp o i n to ft h eb r i l l o u i nz o n ew i t had o u b l yd e g e n e r a t es t a t e a n dt h eb o t t o mo ft h ec o n d u c t i o nb a n di sa tmp o i n to fb r i l l o u i nz o n ew i t had o u b l y d e g e n e r a t es t a t e t h es e c o n db o t t o mo fc o n d u c t i o nb a n di s0 13 e vn e a rmp o i n to f b r i l l o u i nz o n e t h ev a l e n c eb a n do f6 h s i ci sc o m p o s e do fs i3 pa n dc2 p w h i c h l i k e st ot h ec o n d u c t i o nb a n d t h e r ei sav e r ys t r o n gc2 p s i3 sp e a ka t7 2 e vb e l o w t h et o po ft h ev a l e n c eb a n d t h eb a n ds t r u c t u r es h o w st h et o po ft h ev a l e n c eb a n di sa t fp o i n to ft h eb r i l l o u i nz o n ew i t hat h r e e f o l dd e g e n e r a t es t a t ea n dt h eb o t t o mo ft h e c o n d u c t i o nb a n di sa tu p o i n t 0 0 0 0 0 5 0 0 0 17 6 n e a rt h em o fb r i l l o u i nz o n ew i t h as i n g l es t a t e k e yw o r d s s i c 3 c s i c 0 01 s u r f a c e d e n s i t yf u n c t i o n a lc a l c u l a t i o n s a t o m i c s t r u c t u r e e l e c t r o n i cs t r u c t u r e i v 原创性声明 本人声明 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果 尽我所知 除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果 也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料 与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明 作者签名 圭l 查皇 日期 埠年 月二日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留 使用学位论文的规定 即 学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文 允许学位论文被查阅和借阅 学校可以公布学位论文的全部或部分内 容 可以采用复印 缩印或其它手段保存学位论文 同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库 并通过网络向社会公众提供信息服务 作者虢监新签名罩鹭期 珥年上胜日 中南人学硕十学位论文第一章绪论 1 1sic 研究背景 1 1 1sic 研究历史简介 第一章绪论 第一个发现s i c 的人是j o n sj a c o bb e r z e l i u s 他在1 8 2 4 年发表的一篇论文中 推测在他制备的样品中存在一种由s i 和c 成键组成的化合物 即人们现在所知 的s i c 多年后 a e h e s o n 应用由c o w l e s 发明的电熔炉首先制备出了s i c 乜1 a c h e s o n 把焦炭和硅石混合后放入熔炉内准备生产一种替代钻石的研磨和切割 材料 结果生产出了一种由碳和硅构成的非常坚硬的 耐火难溶的化合物 即碳 化硅 为了了解s i c 的结构 a c h e s o n 把他制成的样品寄给了美国l e h i g h 大学的 教授b w f r a z i e r f r a z i e r 发现尽管这些晶体都是s i c 但却有不同的结构 由此 他发现了s i c 的多型性 1 9 0 7 年人们开始了对s i c 的电子特性的研究并在这一年用它制造出了第一 个发光二极管 然而s i c 的提纯却是一项繁杂的 极具耐心的工 作 而且晶体 的纯度也是不可控制的 直到1 9 5 5 年 才由j a l e l y 发明了一种生长s i c 晶体 的新方法 这种方法在一定程度上可以控制s i c 晶体的纯度和性质 这一发明引 发了新一轮s i c 研究的热潮 在这个时期 s i c 甚至成为了比硅和锗更受关注的 材料 然而这种情况很快就发生了变化 这主要还是由于处理高纯度的s i c 晶体 在当时的技术条件难实现 1 9 5 8 年 首届s i c 研讨会在美国b o s t o n 举行 而在此之后的两年里 人们 却雀失了对s i c 的研究兴趣 这一时期有关s i c 的研究主要集中在前苏联和美国 的p i t t s b t u r g h 大学 只有c h o y k e p a t r t e k 和h a m i l t o n 等人仍在进行光致发光方 面的研究 他们的研究成果至今仍然被经常引用 二十世纪7 0 年代后期 两位俄国科学家t a i r o v 和t s v e t k o v 发明了一种新的 s i c 晶体生长方法彳中子升华生长法 s e e d e ds u b l i m a t i o ng r o w t h 4 1 这种生长方 法是引入一个种子晶体并利用热梯度迫使材料从源传输到种子 这使得材料的生 长速率显著加快 用这种方法能生长出具有较大半径和长度的种子 并且以此生 产出来的s i c 晶块可以进行抛光和切片 s i c 晶片就这样诞生了 两年后人们又 发明了在s i 衬底上外延生长s i c 的技术 这一时期s i c 的研究迅速发展 然而 这也只是瞬间的火花 1 9 8 7 年 一项具有罩程碑意义的s i c 生长技术诞生了 这就是低温离轴衬 中南人学硕士学位论文第一章绪论 底阶梯控制外延生长技术 1 利用这项技术人们生产出了第一块商用的s i c 晶片 和s i c 蓝光发光二极管 与此同时也证实了s i c 还可以用于制造大功率 高频率 电子器件 这引发了新一轮的s i c 研究热潮 到目前为止 s i c 的商用价值主要 体现在材料领域 作为生长氮化镓材料的衬底 可能是s i c 的最大应用市场 最 近s i c 己用于制造肖特基二极管和高频金属半导体场效应晶体管 由于s i 技术和i i i v 族化合物半导体技术发展的局限性 使得人们逐步增加 了对s i c 的研究兴趣 特别是在高温 大功率 高频 多色光信息条件要求下 s i c 显示出突出的优越性 著名物理学家b m o n e m a r 在国际纯粹物理和应用物理 联合会 i u p a p 2 0 0 0 年出版的纪念千禧年的论文集中 对新千年的半导体物理学 进行了展望 指出 过去十年 尽管对体材料半导体性质的研究有所下降 这 个领域是相当成熟的 但最近在宽禁带隙半导体的子领域出现了复苏 值得注意 的是s i c 和i i i v 族氮化物 这些材料体系中 关键性的成功是晶体生长技术的 最近重要进展 s i c 的最近发展是由于功率器件和高温器件重要应用的强劲力所 推动 可以预见s i c 的功率器件的生产在十年内将在大范围内取代s i 的应用 光发射体的其他重要应用是以光发射二极管 l e d 为基础的通常照明 有可能取 代今天的白炽灯和荧光管 s i c 的研究和应用前景一片光明 1 1 28ic 材料的性质 碳化硅 s i c 半导体材料是自第一代元素半导体 s i 和g e 和第二代化合物 半导体材料 g a a s g a p 和i n p 等 之后发展起来的第三代宽带隙半导体的重要代 表材料 所谓第三代半导体材料主要包括s i c c b n 立方氮化硼 g a n 氮化嫁 a 1 n 氮化铝 z n s e 硒化锌 以及金刚石薄膜等 s i c 材料由于具有优良的热稳 定性和化学稳定性 较大的热导率 高电子饱和漂移速度 高击穿场强 宽带隙 r c t 1 等优点 在抗辐射 耐高温 高频 大功率等方面具有巨大的应用潜力 而 且 它也是一种较为理想的短波长发光材料 可以用于制备紫外探测器 薄膜发 光二极管及光致发光材料 在光电子器件领域中具有广阔的应用前景 坞1 在s i 基场效应晶体管栅极导电材料这一领域 以多晶s i 薄膜取代铝膜是近 2 0 年来效应晶体管 m o s 集成电路的主流工艺口引 随着集成电路集成度的同益提 高 集成电路的工作温度越来越高 而硅的禁带宽度较窄 热导率不够大 以硅 为基础的集成电路越来越不能满足人们同益增长的对集成电路集成度的需要 用 s i c 取代硅 尤其在高温半导体材料领域有着巨大的应用潜力 而与此相应的s i c 场效应晶体管栅极导电薄膜的研究工作也待展丌 用重掺杂的s i c 多晶薄膜取代 2 中南人学硕十学位论文第一章绪论 s i g e 多晶薄膜作为s i c 场效应晶体管的栅极材料 可以降低s i c 晶体管的开 启电压 同时工作电压也随之降低 从而使集成电路的稳定性和集成度获得较大 的提高 近年来 s i c 薄膜的制备 特性和应用研究成为一大热点 可以预料随 着研究的深入和 些关键性技术难题的解决 s i c 在集成电路等微电子器件中的 广泛应用指同可待 1 力学和化学性质 s i c 是一种非常硬的材料 其杨氏模量为4 2 4 g p a n 钔 它还是一种化学惰性 材料 在室温下与任何物质都很难发生化学反应 现在知道的唯一刻蚀方法是在 中等温度下 4 0 0 6 0 0o c 和熔融的k o h 反应 尤为特别的是任何物质都很难扩散 进入s i c 体内 因而掺杂只能通过注入或者直接生长进入s i c 体内的方式来实现 另外 s i c 不存在液相而是在1 8 0 0 摄氏度以上直接升华 依赖于温度 在升华 阶段其蒸气为s i s i 2 c 及s i c 2 按一定比例的混合物 2 带隙宽度 随着s i c 的构型从立方结构的3 c s i c 变到完全六角堆垛的2 h s i c 其带隙 宽度相应的从2 4 e v 增加到3 3 e v n 引 几种常见的s i c 构型的带隙宽度为 3 c s i c 2 4 0 3 e v 6 h s i c 3 1 0 1 e v 4 h s i c 3 2 8 5 e v 2 h s i c 3 3 3 e v 实 验测出s i c 的带隙宽度与其构型的六角率呈线性关系而且导带底在k 空间的位置 也与s i c 的构型有关 如此带隙宽度使s i c 可以应用于高温环境中 电子从价 带到导带的热激发使得s i 电子器件无法应用于高温环境 而这对于宽带隙s i c 电子器件却不成问题 3 击穿电场强度 在电力应用方面 最受到关注的性质是击穿电场强度 这一性质决定了材料 在被击穿之前所能够承受的最高电场强度 对于掺杂浓度为1 0 1 6 c m 3 的s i c 材料 其击穿电场强度为2 4 9 m v c m n8 1 而对同样掺杂浓度的s i 材料 其击穿电场强 度仅为0 4 0 1 m v c m 口9 1 这还不到s i c 材料击穿场强的1 6 4 电子饱和漂移速率和迁移率 对于高频的电子器件 电子饱和漂移速率是一个比击穿电场强度更为重要的 性质 s i c 的电子饱和漂移速率是2 1 0 7 c m s e c n9 2 0 1 这是s i 的两倍 高饱和电 子漂移速率对于微波器件产生高频信道电流是非常重要的 另外 s i c 还具备很 高的电子迁移率 如6 h s i c 的电子迁移率为4 2 0 c m 2 v s 4 h s i c 的电子迁移 率为9 5 0c m 2 v s 3 c s i c 的电子迁移率为6 5 0c m 2 v s 陋 基于上述特性 s i c 是一种非常理想的制作高频率 高增益固体电子器件的材料 中南大学硕士学位论文第一章绪论 5 热传导率 s i c 的另一个较为重要的性质是其热传导率 通常温度升高会改变器件的物 理性质而且总是使器件的性能变差 尤其是载流子迁移率会随着温度的升高而降 低 因而在器件运行过程中产生的热量必须从器件内部有效地传导出去 研究表 明s i c 的热传导率依赖于晶体的纯度和晶向 已经报道的高纯度的s i c 材料最高 的热传率为4 9 w c m k 掺杂的s i c 晶体的热传导率低于这个值 但在常温下 仍然高于4 w c m k 乜副 这比很多金属的传导率还要高 铜 4 0 w c m k 银 4 18 w c m k 1 1 3sic 材料的应用 s i c 作为高温材料 已经广泛用于航空 航天 汽车 机械 石化等工业领 域 利用其高热导 高绝缘性 目前在电子工业中作大规模集成电路的基片和封 装材料 在冶金工业中作为高温热交换材料和脱氧剂 同时 作为一种理想的高 温半导体材料 s i c 以其禁带宽 工作温度高 通态电阻小 热导性能好 漏电 流极小 p n 结耐压高等优点 已成为2 1 世纪最成功的新型功率半导体器件材料 s i c 材料还以其高的硬度和热稳定性 可以作为耐磨材料 表面覆盖材料 切削 车刀 耐火材料 高温发热体材料等 近2 0 年来 随着s i c 技术的高速发展 s i c 已被广泛应用与保护涂层 光 治发光 场效应晶体管 发光二极管以及太阳能电池的窗口材料等 另外 作为 结构材料 s i c 还可用于核反应技术中作为核聚变的离子体面材料 在不锈钢上 沉积一层s i c 薄膜可以大大地降低氚的渗透率 s i c 与3 c g a n 之间的晶格失配为3 5 并且他们的膨胀系数相差也很小 因而就目前来说 s i c 是生长g a n 薄膜的一种良好的衬底材料 1 9 9 5 年 用在 s i c 衬底上生长的g a n 薄膜制造的发光二极管 l e d s 商品已经问世 s i c 薄膜还 可以在s i c 衬底上实现外延生长 作为过渡层的s i c 薄膜 可能实现g a n 基器件 与成熟s i 平面工艺的结合 利用s i c 与a 1 n g a n 间较小的晶格失配 也将在异 质机构电子器件 利用其不同的带息和载流子迁移率 中发挥很大的潜力 表1 1 为s i c 在器件上的应用展望 4 中南人学硕十学何论文第一章绪论 表1 1s i c 材料在器件上的应用展望 特性 应用 宽带隙 高击穿电场 高的热传导 高的饱和电子 速度 异质结双极晶体管中高的注入效率 l e d 中发射高能量光 蓝光 高温工作的电子器件 飞机中的机电致动器 深层钻井的传感器 激光二极管和h e m t 中载流子限制 抗发射器件 超低漏电流器件 高压大功率开关二极管 晶体管可控硅 电涌抑制器 空间应用的大功率m o s f e t s i s f e t 中的外延绝缘体 i c 中高密度封装 良好热耗散的大功率器件 高的器件集成度 作为s i c 衬底材料提供好的热耗散 雷达应用的微波功率晶体管 快速开关二极管 大功率 高可靠 超精度细微加工 1 1 4s i c 晶体的多型性与布里渊区 多型是指基本结构单元不同的一维堆积结构 多型使用六角度这个量来描述 从0 到1 0 0 它反映了s i c 双层的堆积 在s i c 中 基本的结构单元是由 s i 0 0 0 1 平面和邻近的c o o o l 平面组成的双层结构 在图1 1 a 中所描述的双层 基本单元中 有2 个变换矢量 a l 1 0 o 和a 2 1 2 2 o s i 和c 组成的双层 结构单元有a b c 三种位置的堆积方式 如图1 1 b 所示 个双层堆积在 另一个双层上面 在这些结构中 每个原子都是和周围的4 个原子成四面体键合 最简单的堆积形式是3 c 闪锌矿 z b 和2 h 纤锌矿 w z 多型 中南大学硕士学位论文第一章绪论 o 一o a 图1 1 a s i c 的双层结构 实心球s i 空心球c b 可能的二种双层结构位置 沿 0 0 0 11 方向 对于3 c 多型 按照a b c a b c 这样的形式堆积 每3 层就重复一次 字 母c 代表立方 因此这种多型被称做3 c 类似的 2 h 中的2 代表每二层重复一 次 h 代表六角 其他多型如4 h 和6 h 的名称也是这种含义 所有的六角多型 都有一个垂直于基面的矢量a 3 0 0 z 其中 z 是s i c 双层层间距的偶数倍 在表1 2 中给出了晶胞中的原子位置和初始格子矢量 a l a 2 a 3 初始格子矢 量单位为a a 是 1 1 1 面之中s i 原子之间的距离 对于所有多型 a l 1 0 0 a 2 1 2 一 3 2 o 对于 111 面中的坐标 使用如下的简洁记号 a 0 0 pr 一 b 1 2 1 2 4 3 c o 1 4 3 1 2 4 列 l a y e r 表示双层是六角 h 还 是立方 c 各种不等同的六角双层使用不同的指数区分 一样指数的六角双层 是等同的 到目前为止 3 c 6 h 4 h s i c 是研究最为成熟的宽带隙半导体 在s i c 多型 体中 3 c s i c 唯一具有闪锌矿结构 它具有高熔点 高热导率 高临界击穿电 场和高饱和漂移速度等优良的物理和电学性质 它的电子迁移率是s i c 中最高 的 其高热导率和高临界击穿电场预示着可以得到高的器件密度 所以 3 c s i c 是高温 大功率和高速器件的首选材料 6 h s i c 具有宽的带隙 在光电子学 高温电子学 抗辐射电子学和高频大功率器件领域具有应用价值 4 h s i c 的带 隙比6 h s i c 更宽 电子迁移率接近于3 c s i c 随着高质量单晶材料制备技术上 的突破 它被认为是大功率器件方面最有前途的s i c 材料乜4 6 中南人学硕十学位论文第一章绪论 表1 2 品胞中的原子何置和初始格子矢鼍 a l a 2 a 3 对于特定多型的变换矢量a i 相应的倒格子以及布里渊区可以很容易地得 到 倒易格子的变换矢量b i 显示在表1 3 中 表中所有的矢量单位都是2 丌 a a 是基面中s i 原子之间的距离 矢量a 3 不管是否垂直于基面 都对第一布里渊区 的形状起很大作用 六角多型的第一布里渊区呈现出六角多面体的形状 立方 s i c 的第一布罩渊区呈现出十四面体形状 表1 3s i c 多型的初始倒易格子矢量和布里渊 又 对称性 可以把多型的连续堆积层表示为立方或者六角 如果第n l 层和n 1 层在基 面上的投影不一样的话 那么第n 层和n l 层的堆积就被认为是立方的 如果投 影是一样的 那就被认为是六角的 多型的六角度 h e x 是所有堆积 六角 立方 中南大学硕士学位论文第一章绪论 堆积 中六角堆积数目的比率 也就是h e x h h c 其中h 是六角堆积的数目 c 是立方堆积的数目 已经报道的s i c 多型超过1 7 0 种 但是人们研究较多的只是结构比较简单的 几种 6 h 4 h 2 h 和3 c 具有非常简单结构的2 h 多型 它的简单性以及其六 角度为1 0 0 事实上在所有现实的生长技术和生长条件下都很难制备 这里将 所要研究的s i c 多型不同的堆积顺序与六角度显示在表1 4 中 表1 4s i c 多型的堆积顺序 1 1 5s ic 国内外研究现状 由于s i c 器件在技术领域的巨大应用潜力 对于其多型体晶体及其表面的物 理性质的理论和实验研究也引起了人们极大的兴趣 对于其表面的原子和电子结 构性质的许多基本问题还有待进一步深入探讨 最近s i c 极性表面的原子结构和电子性质研究得比较多 这是由于s i c 极性 表面具有很多重构特征 2 5 例如完全覆盖的以s i 结尾的 0 0 1 表面具有 2 1 或 c 4 1 重构对称性 类似于s i 0 0 1 表面 通常用反对称二聚体模型来解释 在 富c 即长时间暴露于c 2 h 6 气氛下 又可以观察到c 2 2 3 2 5 2 和7 2 重 构 y a n 2 5 等认为在3 2 重构表面是以s i 结尾的s i 二聚体存在 并提出了多种 结构模型进行解释 在富c 即长时i 日j 暴露于c z h 2 气氛f 町以脱察到 1x 2 2 1 c 2 2 重构 最近d u d a 等 2 6 利用同步辐射角分辨光电发射研究了 3 c s i c 0 0 1 2 1 的表面电子结构 确定了带隙中的两个表面态s 1 和s 2 只有 s 1 在g j 方向有很小而清晰的色散 前者的色散很小 具有较强的p z 特征 是 s i 悬键态 后者没有色散 说明局域性很强 与s i c 键的极化特性一致 很小 或没有色散是所有s i c 表面悬键态的共有特征 如在3 c s i c 0 0 1 的3 2 与c 2 2 重构表面 3 c 1 1 1 表面以及6 h s i c 0 0 0 1 表面的实验研究都证实了这一点 对于6 h s i c 0 0 0 1 表面 目前观察到的重构 有 1 1 3 3 r 3 0 0 3 3 6 3 6 3 r 3 0 0 和 9 9 重构 通过控制s i 源束流和生长温度可以得到 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 不同的重构 b e n e s c h 等 2 7 利用反光电发射谱研究了6 h s i c 0 0 0 1 谱不同重构表 面的电子结构 和局域密度近似的从头计算的比较支持了h u b b a r d 模型 3x 3 r 3 0 0 和 3 3 重构的m o t h u b b a r d 库仑相互作用参数分别为u 2 0 e v 和 u 1 2 5 e v 而对s i c 多型体能带结构的研究己有3 0 多年的历史 其中大多数研究的是 3 c 或闪锌矿结构的s i c 最近几年 随着计算方法和条件的进步 对s i c 的理 论研究热点转移到这几种多型体的几何结构和电子结构上来 2 8 铷 一个重要问题 是各种多型体的导带底位于布旱渊区旱的位置 对于3 c s i c 一致的结果是位 于m 点 但是对于其它多型体 从目前的实验结果来看 还存在许多争论和不 确定性 在现有的理论计算中 有较多人认为4 h 的导带底位于m 点 而对于 6 h s i c 其导带底位于u 点 也即位于l m 线上 有意义的是 最近的理论上 的进展可以计算六方型布早渊区的m u 和l 点上的声子能量 3 i 从而可以使 理论和实验之间的比较成为可能 3 2 33 1 根据4 h