SiC(001)表面重構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體。由于它具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導率、高載流子飽和漂移速率等優(yōu)點，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用。隨著理論研究的不斷深入及實驗技術的不斷提高，對SiC表面原子和電子結構的理論和實驗研究也引起了人們極大的興趣。 本研究以國內外已有的研究成果為基礎，參考大量文獻，針對現(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）等表面重構模型的原子與電子結構，進一步確定其表面結構的真實構型。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。理論計算分析了3C-SiC，2H-SiC，4H-SiC，6H-SiC這幾種多型體的幾何構型、晶格常數(shù)、能帶結構、價帶寬度、基態(tài)密度等結構特性參量，并與實驗數(shù)據(jù)對比分析模擬方法與結果的正確性。 3C-SiC（001）-（2×1）表面計算結果表明該表面為非

3、對稱性的Si二聚體結構，二聚體Si原子間鍵長為0.232nm，鍵的扭曲為0.011nm；電子結構計算結果表明，在費米能級處有明顯的態(tài)密度，表面呈金屬性。在帶隙附近存在四個表面態(tài)，一個位于費米能級附近，一個位于費米能級以上5eV處，另外兩個位于費米能級以下的價帶中。在帶隙及帶隙附近我們發(fā)現(xiàn)了四個明顯的表面能帶，分別由σ鍵構成的成鍵態(tài)和反鍵態(tài)，π鍵構成的成鍵態(tài)和反鍵態(tài)組成。 計算了3C-SiC（001）-（2×2）表面的原子及電子結

4、構。結果表明該表面為對稱性的C二聚體結構，二聚體C=C雙鍵長為1.37A；在費米能級處有明顯的態(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明顯的表面態(tài)帶，一個位于費米能級以下1eV處，另兩個位于費米能級附近，其中一個位于價帶頂附近，另一個處于導帶中，這兩個帶相差1eV左右。在費米能級以下的價帶中，也有三個明顯的表面態(tài)帶，其中兩個位于費米能級以下3eV左右，還有一個位于價帶底。費米能級附近的態(tài)帶分別是由表面C原子的p軌道形成，π

5、鍵構成的成鍵態(tài)和反鍵態(tài)組成。 對Si富集的3C-SiC（001）-（3×2）表面TAADM重構模型的原子與電子結構進行了詳細分析。計算結果表明：該表面為非對稱的二聚體結構，其鍵長為2.24A；表面有4個明顯的表面態(tài)帶，其中費米能級附近的2個表面態(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。費米能級附近的帶系寬度為1eV左右，表面呈半導體性質。計算得到的能帶結構圖和電荷密度圖，分別同ARPES和STM實驗數(shù)據(jù)吻合得很好。

6、 論文還探討了3C、2H、4H、6HSiC的價帶結構，發(fā)現(xiàn)其價帶均由兩個子帶組成。對于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。其價帶頂位于布里淵區(qū)的Γ點，具有三重簡并；導帶底位于布里淵區(qū)的M點，具有二重簡并。對于2H-SiC與4H-SiC，其低能與高

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