一種4H-SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型及其構(gòu)建方法和應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種SiC材料的三維原子結(jié)構(gòu)模型，具體涉及一種4H-SiC材料4°偏 角三維原子結(jié)構(gòu)模型及其構(gòu)建方法和應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002] 碳化硅由于其臨界場(chǎng)強(qiáng)高、禁帶寬度大等特點(diǎn)，成為在大功率、高溫、高壓等應(yīng)用 領(lǐng)域廣受歡迎的半導(dǎo)體材料。與同類(lèi)硅器件相比，碳化硅器件的其比導(dǎo)通電阻小兩個(gè)數(shù)量 級(jí)，工作頻率10倍于硅，輻射耐受量10倍于硅，單個(gè)器件可承受的電壓可達(dá)硅器件的10 倍，芯片功率密度可達(dá)硅器件的10倍到30倍，與硅模塊比，碳化硅模塊的體積重量可減少 80%，系統(tǒng)損耗可降低30%到70%。人們期待著碳化硅的功率器件具有更高的物理和電學(xué) 性能，更適合于大功率應(yīng)用。
[0003] 大部分SiC功率器件工作區(qū)的制備均是基于高質(zhì)量的SiC外延片。SiC外延層生 長(zhǎng)時(shí)會(huì)形成不同的表面缺陷，較嚴(yán)重的是在4H_SiC外延生長(zhǎng)過(guò)程中形成3C_SiC三角形包 褒體，如果沿（0001)基面（土彡〇. 5° )或偏軸小于2°的4H-SiC晶片上外延生長(zhǎng)，原子 層間存在的平臺(tái)會(huì)在平臺(tái)中央成核而不是在SiC臺(tái)階邊緣成核，而CVD外延生長(zhǎng)溫度相對(duì) 較低，存在立方和六方多晶成核可能性。使用所謂的"臺(tái)階控制外延"方法可以改善外延生 長(zhǎng)的4H-SiC層質(zhì)量，即采用從單晶上切割下來(lái)的沿（0001)面向<i 1 2飲> 面偏3°~8°的 SiC晶片作為襯底材料。偏軸切割不僅在襯底表面形成大量的原子臺(tái)階，而且也會(huì)形成短 小平臺(tái)，偏軸越大，平臺(tái)長(zhǎng)度越小，材料在生長(zhǎng)過(guò)程中更容易從氣相達(dá)到表面臺(tái)階的合適位 置，從而對(duì)襯底的多型進(jìn)行再次生長(zhǎng)而不形成另外的多型小島。這種生長(zhǎng)方法很好控制了 襯底生長(zhǎng)層的再次生長(zhǎng)，減小了外延過(guò)程中缺陷的密度，得到的外延材料具有更高的結(jié)晶 穩(wěn)定性。通常制備碳化硅器件所用的碳化硅外延材料均是采用沿（0001)面向<11 2 0>面偏 4°的4H-SiC襯底材料外延生成的。
[0004] 研究者們采用第一性原理分析碳化硅與介質(zhì)層接觸面的接觸原理時(shí)發(fā)現(xiàn)，由于沒(méi) 有4H-SiC材料的4°偏角原子模型，一般采用無(wú)偏角的4H-SiC材料原子模型進(jìn)行建模及仿 真，這樣得到的仿真模型與實(shí)際情況有偏差，仿真結(jié)果僅可作為理想情況下的參考。同樣的 在研究碳化硅外延生長(zhǎng)過(guò)程時(shí)均采用無(wú)階梯碳化硅表面，而實(shí)際上碳化硅襯底材料表面布 滿了臺(tái)階，外延生長(zhǎng)過(guò)程中，吸附的原子或分子迀移到臺(tái)階處，在臺(tái)階處成核，延續(xù)了襯底 的晶型。這是理論研究與實(shí)際情況的差異的另一緣由。因此需要構(gòu)建4H-SiC材料的4°偏 角三維原子結(jié)構(gòu)模型以滿足現(xiàn)有技術(shù)的需要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種4H_SiC材料4°偏角三維原子結(jié) 構(gòu)模型及其構(gòu)建方法和在碳化硅氧化原理、碳化硅歐姆接觸、碳化硅外延等碳化硅材料與 其他材料界面研究中的應(yīng)用，該模型更接近于實(shí)際應(yīng)用，且建模方法簡(jiǎn)單，易于應(yīng)用。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0007] -種4H_SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型，所述模型為4H_SiC六方晶胞的周 期性重復(fù)結(jié)構(gòu)，晶胞參數(shù)為：a==:3.08 A±0.5%，b:==3.08 A土0.5%, C==丨0.06 A±().5%，" = 90°，β = 90°，γ =120°，所述晶胞由中心為娃原子的四面體構(gòu)成，碳娃鍵長(zhǎng)力1,89 A. 所述模型上表面沿（0001)面向<11 2 0>偏4°。
[0008] -種所述的4H_SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算機(jī)輔助構(gòu)建方法，所述 方法包括：
[0009] (1)建立4H-SiC晶胞的三維原子結(jié)構(gòu)模型；
[0010] ⑵以步驟1)所述模型為基準(zhǔn)，建立4H-SiC的超晶胞模型；
[0011] (3)以硅面為上表面，沿（0001)面向<H 2 0>偏4°做虛擬平面，平面落在從上表 面開(kāi)始的第一層和第二層碳-碳原子層間的部分向第一層碳原子層做垂直投影，投影部分 的原子層構(gòu)成第一層原子平臺(tái)；
[0012] (4)平面落在第二層和第三層碳-碳原子層間的部分向第二層碳原子層做投影， 投影部分的原子層構(gòu)成第二層原子平臺(tái)；
[0013] (5)以此類(lèi)似方法，形成上表面4°偏角原子結(jié)構(gòu)，由于下表面不做研究對(duì)象，保 留下表面原子結(jié)構(gòu)；
[0014] (6)優(yōu)化原子結(jié)構(gòu)，得到4H_SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型。
[0015] 所述的4H_SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算機(jī)輔助構(gòu)建方法的第一優(yōu) 選技術(shù)方案，所述4H-SiC晶胞的三維原子結(jié)構(gòu)模型是直接從模型庫(kù)調(diào)用或根據(jù)4H-SiC晶 胞的空間群、晶格參數(shù)和原子坐標(biāo)自行繪制。
[0016] 所述的4H_SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型的計(jì)算機(jī)輔助構(gòu)建方法的第二優(yōu) 選技術(shù)方案，所述4H-SiC的超晶胞模型是將4H-SiC晶胞在x、y和z方向三維周期重復(fù)，所 述x、y和z向的數(shù)值是根據(jù)所需超晶胞的大小確定，例如可選擇X = 39, y = 39, z = 2或 X = 18, y = 18, z = 2 等。
[0017] 一種用所述的4H_SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型研究碳化硅外延生長(zhǎng)的方 法，所述方法包括：
[0018] (1)建立4H_SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型；
[0019] (2)以硅面為吸附表面，在表面的不同位置放置硅原子，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及形成能計(jì) 算，比較出硅原子更易被吸附的位置（主要區(qū)分臺(tái)階附近與遠(yuǎn)離臺(tái)階處）；
[0020] (3)于有臺(tái)階的碳化硅表面的不同位置放置碳原子，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及形成能計(jì)算， 比較出碳原子更易被吸附的位置（主要區(qū)分臺(tái)階附近與遠(yuǎn)離臺(tái)階處）；
[0021] (4)再分別放置碳原子和硅原子，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及形成能計(jì)算，分析碳化硅臺(tái)階流 生長(zhǎng)過(guò)程；
[0022] (5)放置大量的碳原子和硅原子，原子數(shù)量大到一定量級(jí)后，利用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算 軟件研究碳化硅臺(tái)階流外延生長(zhǎng)過(guò)程。
[0023] 所述的用4H_SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型研究碳化硅外延生長(zhǎng)的方法的 第一優(yōu)選技術(shù)方案，步驟（5)中所述研究碳化硅臺(tái)階流外延生長(zhǎng)過(guò)程包括控制壓力、控制 溫度和控制氣體流量對(duì)臺(tái)階流生長(zhǎng)的影響。
[0024] 一種用所述的4H_SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行碳化硅表面缺陷的研 究及控制方法，所述方法包括：
[0025] (1)建立4H-SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型；
[0026] (2)在模型上建立缺陷，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，計(jì)算形成能，得出缺陷形成的難易，分析臺(tái)階 對(duì)缺陷形成的影響。
[0027] 所述的4H_SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行碳化硅表面缺陷的研究及控 制方法的第一優(yōu)選技術(shù)方案，所述缺陷包括三角型缺陷、胡蘿卜型缺陷、downfall或慧尾型 缺陷。
[0028] 一種用所述的4H_SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行碳化硅襯底缺陷對(duì)外 延影響的研究及控制方法，所述方法包括：
[0029] (1)建立含有缺陷的4H_SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型；
[0030] (2)分別放置碳原子和硅原子，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，計(jì)算形成能，分析碳化硅臺(tái)階流生 長(zhǎng)過(guò)程；
[0031] (3)優(yōu)化缺陷處生長(zhǎng)碳化硅外延后的結(jié)構(gòu)，計(jì)算形成能，得出缺陷對(duì)外延過(guò)程的影 響。
[0032] -種用所述的4H_SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型研究碳化硅氧化原理的方 法，所述方法包括：
[0033] (1)建立4H_SiC材料4°偏角三維原子結(jié)構(gòu)模型；
[0034] (2)以硅面為氧化界面，在其上施加第1個(gè)氧原子，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及形成能比較分 析；
[0035] (3)在氧化界面上施加第2個(gè)氧原子，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及形成能比較分析；
[0036] (4)按類(lèi)似方法，依次在氧化界面上施加 N個(gè)氧原子，進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化及形成能比較 分析；
[0037] (5)在已施加 N個(gè)氧原子的基礎(chǔ)上，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，找到無(wú)定型氧化娃的結(jié)構(gòu)，并計(jì)算 界面處的能帶，分析在氧化過(guò)程中形成高界面態(tài)密度的原因；
[0038] (6)建立各種不同的