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《中南大学》 2009年
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SiC(001)表面重构与多型体的第一性原理研究

刘福  
【摘要】: SiC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SiC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3C-SiC(001)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。3C-SiC(001)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3C-SiC,2H-SiC,4H-SiC,6H-SiC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。 3C-SiC(001)-(2×1)表面计算结果表明该表面为非对称性的Si二聚体结构,二聚体Si原子间键长为0.232nm,键的扭曲为0.011nm;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5eV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σ键构成的成键态和反键态,π键构成的成键态和反键态组成。 计算了3C-SiC(001)-(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1.37(?);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1eV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1eV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3eV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,π键构成的成键态和反键态组成。 对Si富集的3C-SiC(001)-(3×2)表面TAADM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2.24(?);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Si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1eV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ARPES和STM实验数据吻合得很好。 论文还探讨了3C、2H、4H、6H SiC的价带结构,发现其价带均由两个子带组成。对于3C-SiC,低能量子带部分主要由Si 3s、Si 3p和C 2s组成;高能量子带部分主要由Si 3s、Si 3p、Si 3d和C 2s、C 2p组成。在高能量子带部分,其低能区主要由Si 3s和C 2p组成,高能区主要由Si 2p和C 2p组成。其价带顶位于布里渊区的Γ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2H-SiC与4H-SiC,其低能与高能子带的构成与3C-SiC一致。2H-SiC的价带顶位于布里渊区中心Γ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。4H-SiC的价带顶位于布里渊区中心Γ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2H-SiC能带;第二导带底也位于M点,与导带底仅相差0.13eV。6H-SiC的价带主要由Si 3p和C 2p组成;导带端也有很强的Si 3p和C 2p特征。在离价带顶7.2eV以下有很尖的C 2p-Si 3s能带特性。其价带顶位于布里渊区中心Γ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(0.000,0.500,0.176)。
【学位授予单位】:中南大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:O485

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