SiC掺Ge材料光电特性的研究

作     者：李思语 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：郭辉

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Ge掺杂 4H-SiC 第一性原理 电子结构 光学特性 

摘      要：碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料,具有宽带隙、低介电常数、高热导率、高临界击穿电场、高载流子饱和浓度等特点,在半导体光电照明、电力电子、航空航天探测、核能探测及开发、汽车发动机、微波通讯和卫星等领域里,SiC是最有应用前景的半导体材料之一。对于半导体材料而言,掺杂会对材料特性产生影响。研究发现Ge元素可以降低SiC器件的接触电阻,提高迁移率。同时,掺杂Ge会影响SiC晶体结构,使晶格参数和能带结构发生改变。所以,可以通过Ge元素的掺杂,提高SiC材料的性能,制作出性能优异的SiC半导体器件。目前,国内对Ge掺杂SiC的研究仅有理论上的简单分析。基于此本文通过调整Ge元素的掺杂量及掺杂位置,对Ge掺杂SiC材料的光电特性做出了针对性的研究。本文对山东大学提供的Ge掺杂的SiC晶体进行了材料表征,包括样品材料的拉曼光谱表征和卢瑟福背散射表征。通过拉曼光谱确认了晶体的结晶性和均匀性,通过卢瑟福背散射技术进一步确认了晶体的结晶质量。并且对样品材料进行了深能级瞬态谱测试,主要是检测样品的晶体缺陷和深能级杂质。表征和测试的结果证明虽然Ge元素掺杂不是完全均匀,但是样品结晶质量良好。接下来对Ge掺杂SiC材料进行基于第一性原理的光电特性的计算。运用密度泛函理论以及材料学仿真软件Material studio 8.0,计算了4H-SiC本征态的能带结构和态密度,比较了Ge原子分别代替C原子和Si原子下的形成能,并选取了三种Ge掺杂4H-SiC模型:64个原子的超晶胞(2×2×2)中一个Ge原子取代一个Si原子得到的SiGeC、64个原子的超晶胞(2×2×2)中一个Ge原子取代一个C原子得到的SiGeC和128个原子的超晶胞(4×2×2)中一个Ge原子取代一个C原子后得到的SiGeC。计算并分析了三种掺杂下样品能带结构、电子态密度、介电常数、吸收谱和反射谱的结果,最后和本征4H-SiC样品材料性能对比,从而得出Ge元素不同的掺杂位置和掺杂浓度对SiC材料光电特性的具体影响。电学性质方面,Ge掺杂后能带结构变化不大,Ge掺杂后费米能级附近引入了陷阱能级,且随掺杂浓度增大而增多;光学性质方面,Ge掺杂后吸收谱和反射谱变化不大,Ge掺杂后吸收谱和反射谱曲线明显向低能端有所偏移,且吸收谱极值下降。综合分析得出,通过Ge的掺杂,电阻率下降,可以使4H-SiC导电性能更强,并且材料的吸收谱与反射谱整体发生红移。这对今后制作性能更优异的半导体SiC器件具有指导意义和实用价值。