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成功案例

半导体材料-SiC结构与电子特性

介绍

碳化硅是重要的工业应用材料,它之所以让人熟知是因为其超强的硬度、优异的强度,以及出色的热导率;同时由于碳化硅的优异热膨胀性质,使其具有很高的抗热震性。另一方面,这种材料还具备化学稳定性强、弹性系数高的特点。这些优秀的性质使得碳化硅在极端条件下稳定工作。它的应用领域非常广泛,如研磨、耐火材料、现代陶瓷、半导体、砂轮等领域。碳化硅的晶体结构超过250种,并且结构和物理性质各不相同。

在本次案例中,我们运用DFT(密度泛函理论)对碳化硅重要的两种类型进行了结构与电子特性的计算。本次计算是与巴黎索邦大学的理论化学实验室合作并以MAPS【2】平台中的VASP【1】引擎完成的。第一部分中,测试了动能截断能与K点密度对碳化硅体系的收敛情况。第二部分中,比较了碳化硅中比较重要的两种构型:3C-SiC4H-SiC的理论与实验结果,结构如图1所示:

 

1:3C-SiC 与4H-SiC的单胞

3C-SiC的晶格结构为立方体,堆垛方式为ABC的三层结构,而4H-SiC是六方结构,其堆垛方式ABCB。两种结构的密度、熔点等性质基本相同,然而在其他性能,尤其是电子性能上两者体现出了显著的差异性。

 

计算细节与收敛过程的研究

基于实验获得的晶胞参数【3】,用MAPS构造3C-SiC4H-SiC晶体结构。采用VASP中杂化泛函HSE06【4-6】PAW(增广投影波)7赝势。严格验证固体电子结构计算中影响精度最大的平面波动能截断能和布里渊区K点密度。本次验证采用3C-SiC原胞测试了动能截断能与K点密度,如图2:

                    

2:总能与截断能(a)K点密度b)关系

2为系统总能与截断能和K点密度关系图,图2a是截断能,图2b是K点密度。截断能为18eV、K点密度8X8X8时总能量的收敛已经在1emV之内。

 

结构与电子特性

          

3为:碳化硅3C(a)与4H(b)的能带结构图

3C-SiC与4H-SiC 结构优化时力的收敛标准为0.05eV.?-1。采用上述验证的参数,截断能18eV、K点密度8X8X8 。为了验证理论方法的适用性,与实验比较了元胞参数、密度【3】,即表1。图3中的能带结构,显示的都是间接带隙。3C-SiC构型的带隙是介于Γ点与X点之间,4H-SiC构型是介于Γ点与M点之间。

 

1:为3C-SiC与4H-SiC的晶胞参数、密度、带隙的计算与实验数值的对比

3C-SiC构型的带隙2.48eV比4H-SiC低0.44eV,此趋势与实验结果一致【3】。

 

结论

我们采用密度泛函理论计算了商业上应用最广泛的两种氮化硅结构3C-SiC与4H-SiC的结构及电子特性。结果显示碳化硅结构理论计算值与实验值吻合,带隙差别趋势与实验是一致的。

 

引用

1. http://cms.mpi.univie.ac.at/VASP/

2. http://scienomics.com/

3. http://www.ioffe.ru/SVA/NSM/Semicond/SiC

4. Ming-Zhu, Huang and W. Y. Ching, Phys. Rev. B 1993, 47, 9449.

5. M Marsman, J Paier, A Stroppa and G Kresse. J. Phys.: Condens. Matter 20 (2008) 064201.

6. Yoon-Suk Kim, Kerstin Hummer and Georg Kresse, Phys. Rev. B 2009, 80, 035203.

7. P. E. Blochl, Phys. Rev. B 1994, 50, 17953.