SiC薄膜材料理论模拟研究的动态

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州物理研究所 作者:盖志刚

  SiC因其宽的禁带宽度、高的电子饱和速度、大的临界击穿场强、高的热导率和热稳定性等特性而成为制作高频、大功率和耐高温器件的理想材料。综述了SiC 材料的理论研究现状和发展趋势,并对研究方法和结果进行了简要的评述。

1、引言

  SiC作为C 和Si 唯一稳定的化合物,其晶格结构由致密排列的2 个亚晶格组成,每个Si(或C)原子与周边包围的C(Si)原子通过定向的强四面体SP3 键结合,虽然SiC 的四面体键很强,但层错形成能量却很低,这一特点决定了SiC 的多型体现象。己经发现SiC 具有250 多种多型体,不同的多型体具有不同的电学性能与光学性能。SiC 的禁带宽度为Si 的2~3 倍,电子的饱和漂移速度为Si 的2 倍,临界击穿电场约为Si 的8 倍,热导率约为Si 的4.4 倍。SiC 的这些性能使其成为高频、大功率、耐高温、抗辐照器件的优选材料,可广泛应用于人造卫星、火箭、导弹、飞机以及通讯、海洋勘探、石油钻井、汽车电子化等军事和民用系统,成为国际上新材料、微电子和光电子领域研究的热点,受到许多国家的重视和大力发展。

  由于SiC 单晶生长困难且代价昂贵,因此国内外对SiC 材料的外延生长进行了大量的研究,特别是对Si 基SiC 薄膜的外延生长,进行了大量的理论模拟和实验工作。尽管SiC 外延生长的研究已进行了多年,但无论是生长技术,还是生长机理都不成熟,不同研究机构在相近条件下得出的结论存在较大的差异。因此从理论上分析SiC 的成膜机制对其外延生长过程的了解和控制具有重要意义。

2、SiC 薄膜材料理论研究方法

  对SiC 的理论模拟,国内外主要采用2 种方法:一种是以分子动力学为基础的理论模拟;另一种是从头计算理论模拟。

2.1、分子动力学模拟

  所谓分子动力学方法就是用运动方程来计算系统的性质,得到系统静态和动态特性的一种方法。分子动力学方法的出发点是物理系统确定的微观描述。这个系统可以是一个少体系统,也可以是一个多体系统。这种描述可以是哈密顿描述或拉格朗日描述,也可以是直接用牛顿方程表示的描述。

3、结束语

  到目前为止,国内外采用分子动力学、从头计算方法对SiC 的缺陷、晶格振动、热力学性质、表面弛豫与重构、结构、能量、电子态及光谱等物理性质展开了大量的模拟研究,取得了一系列的成果。虽然2 种模拟方法侧重点不用:分子动力学模拟主要侧重物质的相互作用,而从头计算方法主要对少量原子、分子体系的几何结构及其稳定构型进行模拟研究,但不管从微观结构还是宏观粒子作用,对SiC 的研究都取得了显著进步。

  但同时也注意到:在实验过程中,特别在以化学气相沉积(CVD)为基础的制备SiC 的过程中,得到纯正的SiC 几乎是不可能的。在对掺杂了N、H 的SiC 研究过程中,发现了诸如掺杂N 浓度对SiC 的光敏特性及光学带隙影响很大等物理现象。目前,国内外在实验上已经对此展开了大量研究,但在理论模拟上,还未见系统报道。因此,对掺杂SiC 的物理特性展开新一轮的研究,将是十分必要且迫切的。

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