4H-SiC材料中刃型位错的理论研究

摘要

碳化硅(SiC)材料具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特点，特别适合制作高温、高压、大功率、耐辐照等半导体器件。其中4H-SiC材料以其优异的特性引起人们的广泛重视。然而在4H-SiC晶体生长和器件制备过程中引入的大量缺陷会对4H-SiC器件的性能产生显著影响。研究缺陷的基本特性有助于认识其对器件性能的影响机理，有助于缺陷控制方法的研究，为制备高质量4H-SiC外延材料、优化器件性能做好理论准备。
　　 基于密度泛函理论的第一性原理方法研究材料电子结构是获得材料特性的重要手段之一，目前利用这种方法对点缺陷的研究较多，而位错比较少见。本文利用第一性原理的方法对4H-SiC刃型位错的电子结构进行了研究，主要工作如下：
　　 首先，根据刃型位错的形成方式和晶格特征，在4H-SiC完整晶格的基础上通过抽取选定原子并进行几何晶格重构的方法建立了刃型位错的模型。其次，讨论了位错产生所导致的晶格畸变，从而得到了4H-SiC刃型位错的位错宽度，即刃型位错的严重畸变区大小。最后综合考虑了位错宽度以及计算时间等因素的影响，确定了计算模型的晶格规模并利用CASTEP研究了刃型位错的能带和态密度。通过对同等规模4H-SiC完整晶格能带和态密度计算进行对比，发现刃型位错的引入对导带底和价带顶能带的状态都产生了影响。在禁带中产生了新的缺陷能级，主要是因为位错中心原子产生的悬挂键及晶格畸变所引起的。另外，位错引入后4H-SiC的费米能级向导带移动，因此新的缺陷能级应为施主特性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 SiC材料的优越性

1.2 SiC材料缺陷的研究现状

1.3 理论模拟方法

1.4 本文主要工作

第二章 4H-SiC材料中的缺陷

2.1 SiC多型体结构

2.2 晶格缺陷

2.2.1 缺陷的分类

2.2.2 位错理论基础

2.34H-SiC材料中的缺陷

2.4 本章小结

第三章 计算理论及软件介绍

3.2 两个基本近似

3.1.1 Born-Oppenheimer绝热近似

3.1.2 Hartree-Fock近似

3.2 密度泛函理论

3.2.1 Hohenberg-Kohn-Sham理论

3.2.2 局域密度近似和广义梯度近似

3.2.3 自洽计算

3.3 材料模拟软件

3.3.1 周期性体系和赝势

3.3.2 CASTEP的计算体系

3.4 本章小结

第四章 第一性原理研究4H-SiC刃型位错

4.1 完整晶格模拟结果和分析

4.24H-SiC刃型位错模型的建立

4.3 刃型位错计算结果分析

4.4 几何优化

4.5 本章小结

第五章 结束语

致谢

参考文献