氮和磷掺杂对3C-SiC光学性质的影响

论文摘要

碳化硅（Silicon Carbide,SiC）是一种宽禁带、高热导率、大击穿电场和高饱和速率、小介电常数的半导体材料,非常适合于制造耐高温、大功率、高频电子和光电子器件,是光电导和发光的一种重要材料。但由于SiC是间接带隙半导体,其光电转换效率低,因此如何提高发光效率就成为SiC研究的一个重要课题。近年来,大量实验和理论研究证明SiC材料可以通过掺杂而改变性质,这些特性将会提高SiC的发光效率。论文数值模拟计算了掺杂前后的能带结构和光学特性,并在此基础上研究了它们的光导电特性和光致发光特性,重点考察了影响光导电性能的机制和影响光致发光的因素。主要工作如下:首先,阐明了课题的研究背景,并提出本论文工作的意义。介绍了SiC的结构、特性、器件工艺技术、研究现状以及应用现状。其次,简单介绍了密度泛函理论的基本框架和近年来的理论发展,并说明了计算软件CASTEP的特点。再次,采用第一性原理的超软赝势方法,研究了氮掺杂3C-SiC（SinNCn-1）的电子结构和光电导性质,并利用固体理论计算了3C-SiC掺杂前后主要散射机制。散射机制的分析表明:中性杂质散射和载流子之间的散射是影响SinNCn-1导电行为的主要机制。而在紫外区,长光学波散射机制是导致3C-SiC光电导率大于SinNCn-1的反常现象的主要原因。最后,利用第一性原理和带带跃迁辐射复合理论,研究了磷和氮掺杂的3C-SiC前后的光致发光性质。计算结果表明:由于带隙从间接带隙转变为直接带隙,费米面附近的载流子浓度增加,因而光致发光强度大大增强。而光致发光峰位置与吸收峰有关。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 碳化硅的结构与特性
• 1.2.1 碳化硅的结构
• 1.2.2 碳化硅的特性比较
• 1.3 碳化硅器件工艺技术
• 1.3.1 掺杂
• 1.3.2 刻蚀
• 1.3.3 氧化
• 1.4 碳化硅的研究与应用现状
• 1.5 论文的研究内容和组织结构
• 1.6 本章小结
• 第2章 基础理论和计算方法
• 2.1 密度泛函理论
• 2.1.1 Hohenberg-Kohn 定理
• 2.1.2 Kohn-Sham 定理
• 2.1.3 局域密度近似和广义梯度近似
• 2.1.4 布洛赫定理
• 2.2 赝势方法
• 2.2.1 规范-守恒赝势
• 2.2.2 超软赝势
• 2.3 CASTEP 软件包的特点
• 2.4 本章小结
• 第3章 掺杂对光电导的影响
• 3.1 引言
• 3.2 基本理论与方法
• 3.3 数值模拟结果及分析
• 3.3.1 能带结构
• 3.3.2 态密度
• 3.3.3 光电导率
• 3.4 载流子的散射机制
• 3.4.1 散射概率
• 3.4.2 反常电导率的分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 掺杂对光致发光的影响
• 4.1 引言
• 4.2 数值模拟结果及分析
• 4.2.1 能带结构
• 4.2.2 吸收和折射光谱
• 4.3 理论计算结果及分析
• 4.3.1 光致发光过程
• 4.3.2 光致发光的理论计算
• 4.3.3 光致发光光谱
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间参加的科研任务与主要成果
• 致谢
• 作者简介