导读：碳化硅(Silicon Carbide，SiC)因具有小介电常数、高饱和速率、大击穿电场、高热导率和宽禁带等优良的物理性质 入手，分析了掺杂3C-SiC热学和光电性能的理论研究，由硕士论文整体提供。
第 1 章 绪 论
随着微电子技术的发展，对半导体材料性能方面的需求也随之提高，半导体经历了一代又一代的替换，碳化硅(SiC)材料以其优良的特性，在大功率、高温、高压、抗辐照电子器件方面得以广泛的应用。随着人们对 SiC 材料性能的不断研究和探索，微电子器件的技术潜力也是无限的。
1.1 碳化硅的历史背景及应用
1824 年瑞典科学家 J.J.Berzelius 发现了以 Si 和 C 成键的化合物，即我们所知的碳化硅(SiC)。1891 年 Monongahela，E.G.Aeherson 应用电熔炉生产出非常坚硬并且耐火难容的化合物碳化硅，Lehigh 大学的 B.W.Frazier 教授发现了 SiC 的多型性。对于这种新发现的特殊材料引起了人们极大的兴趣，随后人们从 SiC 的性质和应用方面做了诸多的研究。1907 年法国电子工程师第一次观察到 SiC 的电致发光现象，但是高纯度的 SiC 确难以控制。1955 年 U.A.Aely 发明了生长 SiC 的方法，这时人们对碳化硅的制备和认识还不完善，因此，对 SiC 的关注也是不稳定的。
60 年代中期到 70 年代中期，Choyke、Patrtek 和 Hamilton 在光致发光方面得到一些有价值的成果。直到 1978 年俄罗斯的 Y.M.Tairov 和 V.F.Tevetkov、1981 年日本的 H.Matsumami 对 SiC 晶体的生长有了新的突破，此时的 SiC 引发了技术的高速
发展。1987 年北 Carolina 州立大学 R.F.Davis 小组对 SiC 制备的研究为现代商业化
生产奠定了基础。人们从认识逐步走向了制备和应用阶段，随着对这种新型材料的研究，人们发现了 SiC 诸多优良性质，利用其特有的物理学特性，由 SiC 制造的电子器件得到广泛的应用。
从半导体器件的发展来看，半导体器件的性能在微电子技术方面的提高和应用是伴随着新型半导体材料的不断发现而进行的，继 Si 和 GaAs 材料之后的第三代半导体代表的 SiC 是推动半导体器件发展的主要材料之一，以其特有的宽禁带、高临界击穿场强、高电子迁移率、高热导率等特性，在高温，高频、大功率、抗辐照、短波长发光及光电集成器件的制造及使用上发挥了 SiC 材料的优势。在高温和大功率半导体器件方面的应用，SiC 材料因其宽禁带和高温稳定性已制成 MESFET、MOSFET、JFET、BJT、等器件。这种器件可以在温度高达 500℃以上的极端环境工作。主要应用在军用武器系统、航空航天、石油地质勘探等域；基于 SiC 材料的高的迁移率、饱和漂移速度以及高热导率等特点，制成的最大频率达42GHz 以上的 SiCMESFET 已经应用在了军用相控阵雷达、通信广播系统以及数据处理当中；利用 SiC 的宽禁带的优势是制成的短波长发光器件是 LED 全彩色大面积显示屏的关键，紫外光敏二极管用于监测汽车、飞机、火箭等发动机的燃烧工作状态，并与 SiC 高温继承电路一起构成闭环控制，提高了发动机工作效率，蓝色激光二极管上的应用在未来生物化学战场的探测方面发挥不可缺少的作用。对于 SiC半导体的高击穿电场的优良性能，高性能功率器件、高压器件、高密度 IC 封装等，已应用在电子控制系统、节能系统、电离电子系统等。
目前，单一的本征半导体材料的性能已经不能满足半导体器件发展的需求，为了紧随科技的进步，针对工作电子器件的不同需求，人们致力于 SiC 掺杂方面性能的研究，以望通过不同的掺杂手段可以得到适合不同工作环境的半导体器件，因此，对半导体材料进行有效的掺杂是改变半导体性能的主要手段，可以通过掺杂原子的改变，掺杂浓度的不同来改变本征半导体材料固有的力学、电学、光学、热学等特性。对 SiC 材料的掺杂已有多方面的报道，主要的研究是针对掺杂 SiC 半导体材料的光学和介电等性能而展开的。因此，对 SiC 半导体材料掺杂的研究具有重要的意义。同时，掺杂的半导体材料在提高器件性能方面的应用也具有广阔的前景。
1.2 碳化硅的结构和基本性质
根据固体物理学理论，碳化硅(SiC)晶体是由电负性相差较大的两种Ⅳ族元素 Si、C 按原子比 1:1 形成的化合物半导体，晶体结构最基本的结构单元是以 Si-C 原子共价键结合成的正四面体，结构单元是由四个硅原子形成的四面体包围一个碳原子组成，按相同的方法一个硅原子也被四个碳原子的四面体包围。有较强离子性的共价键，因此，SiC 具有结合能量比较稳定的结构。键的共价性和高强度，决定了碳化硅具有一定的能量和机械强度。SiC 晶体中存在呈四面体空间排列的 SP混杂键，这就决定了其晶体结构具有同质多型的特点。由于 SiC 晶体结构的基本单元在空间密排堆垛形成 SiC 多型体，属于密堆积机构，由于密堆积的位置不同，SiC 生成大量不同晶系的变体。用 X—射线衍射对碳化硅结构进行分析，晶体结构主要呈现两种形态：晶体排列致密的六成系α -SiC 和类似于闪锌矿的等轴β -SiC。一般可以归纳为纤锌矿结构、闪锌矿结构和菱形结构，其中菱形结构和纤锌矿结构称之为α -SiC，闪锌矿结构为β -SiC。为了表述 SiC 的各种晶系，人们提出了几种命名方法：(1)各种六方晶系的碳化硅多型体按发现的先后顺序用相应的罗马数字表示。如：SiCⅠ，SiCⅡ，SiCⅢ等。(2)用字母 R、H 和 C 分别表示菱面体结构，六方晶系结构和立六晶系结构，字母前的数字表示单位晶胞中 C-Si 重复层数。如：6H，3C 和 15R 等。(3)等轴系闪锌矿的
SiC 称为β -SiC，排列紧密的六方系和菱面体 SiC 称为α -SiC。
目前已被证实的 SiC 多型体已超过 250 多种，最常见的有立方结构 3C-SiC、六方结构 4H-SiC、6H-SiC。这三结构依赖于密堆积顺序，令密堆积层为 A、B、C，若SiC 键呈现出六方纤锌矿或立方闪锌矿结构，则得到纯立方结构的晶型—立方闪锌矿结构，即 3C-SiC 或 β-SiC(C=cubic)。若堆积顺序为 AB、AB，则得到纯六方结构，即 2H-SiC(H=hexagonal)。这两种堆积方式混合的出 SiC 其它多型体。SiC 最常见的两种立方晶型是4H-SiC和6H-SiC，其密堆积方式分别为ABAC、ABAC和ABCACB、ABCACB。
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掺杂3C-SiC热学和光电性能的理论研究
摘要 5-6
ABSTRACT 6-7
第1章 绪论 10-20
1.1 碳化硅的历史背景及应用 10-11
1.2 碳化硅的结构和基本性质 11-15
1.3 碳化硅掺杂的实验方法 15-17
1.4 研究的目的和意义 17-18
1.5 研究的主要内容 18-20
第2章 理论基础与计算方法简介 20-32
2.1 引言 20
2.2 密度泛函理论 20-26
2.2.1 Thomas-Fermi 模型 20-23
2.2.2 Hohenberg-Kohn 定理 23-24
2.2.3 局域密度近似和广义梯度近似 24-25
2.2.4 交换关联泛函 25-26
2.3 赝势方法 26-28
2.3.1 模守恒赝势 27-28
2.3.2 超软赝势 28
2.4 计算模拟简介 28-31
2.6 本章小结 31-32
第3章 掺杂碳化硅热导率的研究 32-46
3.1 引言 32
3.2 碳化硅的热学理论 32-35
3.2.1 掺杂碳化硅的热导机制 33-34
3.2.2 半导体热导率计算模型 34-35
3.3 掺杂碳化硅热学性能的计算结果 35-42
3.3.1 计算方法和结构模型 35-36
3.3.2 计算机模拟计算 36-39
3.3.3 掺杂碳化硅的热导率 39-42
3.4 结果讨论 42-45
3.4.1 掺杂产生的晶格畸变 42-44
3.4.2 掺杂引起的局域振动 44-45
3.5 本章小结 45-46
第4章 掺杂碳化硅光电性能研究 46-60
4.1 引言 46
4.2 碳化硅的光学理论 46-48
4.3 掺杂碳化硅光学性能的计算 48-53
4.3.1 掺杂碳化硅的光电导 49-51
4.3.2 掺杂碳化硅的吸收和折射 51-53
4.4 掺杂对光致发光的影响 53-58
4.4.1 光致发光的理论计算 53-55
4.4.2 能带和吸收性能的计算 55-56
4.4.3 光致发光的计算结果 56-58
4.5 本章小结 58-60
结论 60-62
参考文献 62-66
攻读硕士学位期间发表的论文及其成果 66-67
致谢 67-68
作者简介 68
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