一种4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型及其构建方法和应用技术

本发明专利技术提供一种4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型及其构建方法和应用。所述模型为4H-SiC六方晶胞的周期性重复结构，晶胞参数为：α＝90°，β＝90°，γ＝120°，所述晶胞由中心为硅原子的四面体构成，碳硅键长为所述模型上表面沿(0001)面向偏4°；所述模型以计算机辅助构建而成，方法步骤简单易行，其制作完全按照实际生产过程中对碳化硅表面的处理方法；本发明专利技术的4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型可应用于碳化硅氧化原理、碳化硅欧姆接触、碳化硅外延等碳化硅材料与其他材料界面研究中，较通常使用的无偏角原子模型更接近于实际应用，研究结果与实际情况更接近，更具有参考价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种SiC材料的三维原子结构模型，具体涉及一种4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型及其构建方法和应用。
技术介绍
碳化硅由于其临界场强高、禁带宽度大等特点，成为在大功率、高温、高压等应用领域广受欢迎的半导体材料。与同类硅器件相比，碳化硅器件的其比导通电阻小两个数量级，工作频率10倍于硅，辐射耐受量10倍于硅，单个器件可承受的电压可达硅器件的10倍，芯片功率密度可达硅器件的10倍到30倍，与硅模块比，碳化硅模块的体积重量可减少80％，系统损耗可降低30％到70％。人们期待着碳化硅的功率器件具有更高的物理和电学性能，更适合于大功率应用。大部分SiC功率器件工作区的制备均是基于高质量的SiC外延片。SiC外延层生长时会形成不同的表面缺陷，较严重的是在4H-SiC外延生长过程中形成3C-SiC三角形包褒体，如果沿(0001)基面(±≤0.5°)或偏轴小于2°的4H-SiC晶片上外延生长，原子层间存在的平台会在平台中央成核而不是在SiC台阶边缘成核，而CVD外延生长温度相对较低，存在立方和六方多晶成核可能性。使用所谓的“台阶控制外延”方法可以改善外延生长的4H-SiC层质量，即采用从单晶上切割下来的沿(0001)面向面偏3°～8°的SiC晶片作为衬底材料。偏轴切割不仅在衬底表面形成大量的原子台阶，而且也会形成短小平台，偏轴越大，平台长度越小，材料在生长过程中更容易从气相达到表面台阶的合适位置，从而对衬底的多>型进行再次生长而不形成另外的多型小岛。这种生长方法很好控制了衬底生长层的再次生长，减小了外延过程中缺陷的密度，得到的外延材料具有更高的结晶稳定性。通常制备碳化硅器件所用的碳化硅外延材料均是采用沿(0001)面向面偏4°的4H-SiC衬底材料外延生成的。研究者们采用第一性原理分析碳化硅与介质层接触面的接触原理时发现，由于没有4H-SiC材料的4°偏角原子模型，一般采用无偏角的4H-SiC材料原子模型进行建模及仿真，这样得到的仿真模型与实际情况有偏差，仿真结果仅可作为理想情况下的参考。同样的在研究碳化硅外延生长过程时均采用无阶梯碳化硅表面，而实际上碳化硅衬底材料表面布满了台阶，外延生长过程中，吸附的原子或分子迁移到台阶处，在台阶处成核，延续了衬底的晶型。这是理论研究与实际情况的差异的另一缘由。因此需要构建4H-SiC材料的4°偏角三维原子结构模型以满足现有技术的需要。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的是提供一种4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型及其构建方法和在碳化硅氧化原理、碳化硅欧姆接触、碳化硅外延等碳化硅材料与其他材料界面研究中的应用，该模型更接近于实际应用，且建模方法简单，易于应用。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型，所述模型为4H-SiC六方晶胞的周期性重复结构，晶胞参数为：α＝90°，β＝90°，γ＝120°，所述晶胞由中心为硅原子的四面体构成，碳硅键长为所述模型上表面沿(0001)面向偏4°。一种所述的4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型的计算机辅助构建方法，所述方法包括：(1)建立4H-SiC晶胞的三维原子结构模型；(2)以步骤1)所述模型为基准，建立4H-SiC的超晶胞模型；(3)以硅面为上表面，沿(0001)面向偏4°做虚拟平面，平面落在从上表面开始的第一层和第二层碳-碳原子层间的部分向第一层碳原子层做垂直投影，投影部分的原子层构成第一层原子平台；(4)平面落在第二层和第三层碳-碳原子层间的部分向第二层碳原子层做投影，投影部分的原子层构成第二层原子平台；(5)以此类似方法，形成上表面4°偏角原子结构，由于下表面不做研究对象，保留下表面原子结构；(6)优化原子结构，得到4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型。所述的4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型的计算机辅助构建方法的第一优选技术方案，所述4H-SiC晶胞的三维原子结构模型是直接从模型库调用或根据4H-SiC晶胞的空间群、晶格参数和原子坐标自行绘制。所述的4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型的计算机辅助构建方法的第二优选技术方案，所述4H-SiC的超晶胞模型是将4H-SiC晶胞在x、y和z方向三维周期重复，所述x、y和z向的数值是根据所需超晶胞的大小确定，例如可选择x＝39，y＝39，z＝2或x＝18，y＝18，z＝2等。一种用所述的4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型研究碳化硅外延生长的方法，所述方法包括：(1)建立4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型；(2)以硅面为吸附表面，在表面的不同位置放置硅原子，进行结构优化及形成能计算，比较出硅原子更易被吸附的位置(主要区分台阶附近与远离台阶处)；(3)于有台阶的碳化硅表面的不同位置放置碳原子，进行结构优化及形成能计算，比较出碳原子更易被吸附的位置(主要区分台阶附近与远离台阶处)；(4)再分别放置碳原子和硅原子，进行结构优化及形成能计算，分析碳化硅台阶流生长过程；(5)放置大量的碳原子和硅原子，原子数量大到一定量级后，利用分子动力学计算软件研究碳化硅台阶流外延生长过程。所述的用4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型研究碳化硅外延生长的方法的第一优选技术方案，步骤(5)中所述研究碳化硅台阶流外延生长过程包括控制压力、控制温度和控制气体流量对台阶流生长的影响。一种用所述的4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型进行碳化硅表面缺陷的研究及控制方法，所述方法包括：(1)建立4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型；(2)在模型上建立缺陷，优化其结构，计算形成能，得出缺陷形成的难易，分析台阶对缺陷形成的影响。所述的4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型进行碳化硅表面缺陷的研究及控制方法的第一优选技术方案，所述缺陷包括三角型缺陷、胡萝卜型缺陷、downfall或慧尾型缺陷。一种用所述的4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型进行碳化硅衬底缺陷对外延影响的研究及控制方法，所述方法包括：(1)建立含有缺陷的4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型；(2)分别放置碳原子和硅原子，进行结构优化，计算形成能，分析碳化硅台阶流生长过程；(3)优化缺陷处生长碳化硅外延后的结构，计算形成能，得出缺陷对外延过程的影响。一种用所述的4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型研究碳化硅氧化原理的方法，所述方法包括：(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种4H‑SiC材料4°偏角三维原子结构模型，所述模型为4H‑SiC六方晶胞的周期性重复结构，晶胞参数为：α＝90°，β＝90°，γ＝120°，所述晶胞由中心为硅原子的四面体构成，碳硅键长为其特征在于，所述模型上表面沿(0001)面向偏4°。

【技术特征摘要】
1.一种4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型，所述模型为4H-SiC六方晶胞的周期性
重复结构，晶胞参数为：α＝90°，β＝90°，
γ＝120°，所述晶胞由中心为硅原子的四面体构成，碳硅键长为其特征在于，所述模
型上表面沿(0001)面向偏4°。
2.一种权利要求1所述的4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型的计算机辅助构建方
法，所述方法包括：
(1)建立4H-SiC晶胞的三维原子结构模型；
(2)以步骤1)所述模型为基准，建立4H-SiC的超晶胞模型；
(3)以硅面为上表面，沿(0001)面向偏4°做虚拟平面，平面落在从上表面
开始的第一层和第二层碳-碳原子层间的部分向第一层碳原子层做垂直投影，投影部分的原子
层构成第一层原子平台；
(4)平面落在第二层和第三层碳-碳原子层间的部分向第二层碳原子层做投影，投影部
分的原子层构成第二层原子平台；
(5)以此类似方法，形成上表面4°偏角原子结构；
(6)优化原子结构，得到4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型。
3.根据权利要求2所述的4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型的计算机辅助构建方
法，其特征在于，所述4H-SiC晶胞的三维原子结构模型是直接从模型库调用或根据4H-SiC
晶胞的空间群、晶格参数和原子坐标自行绘制。
4.根据权利要求2所述的4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型的计算机辅助构建方
法，其特征在于，所述4H-SiC的超晶胞模型是将4H-SiC晶胞在x、y和z方向三维周期重复，
所述x、y和z向的数值是根据所需超晶胞的大小确定。
5.一种用权利要求1所述的4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型研究碳化硅外延生
长的方法，所述方法包括：
(1)建立4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型；
(2)以硅面为吸附表面，在表面的不同位置放置硅原子，进行结构优化及形成能计算，
比较出硅原子更易被吸附的位置；
(3)于有台阶的碳化硅表面的不同位置放置碳原子，进行结构优化及形成能计算，比较
出碳原子更易被吸附的位置；
(4)再分别放置碳原子和硅原子，进行结构优化及形成能计算，分析碳化硅台阶流生长
过程；
(5)放置大量的碳原子和硅原子，原子数量大到一定量级后，利用分子动力学计算软件
研究碳化硅台阶流外延生长过程。
6.根据权利要求5所述的用4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型研究碳化硅外延生
长的方法，其特征在于，步骤(5)中所述研究碳化硅台阶流外延生长过程包括控制压力、控
制温度和控制气体流量对台阶流生长的影响。
7.一种用权利要求1所述的4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型进行碳化硅表面缺
陷的研究及控制方法，所述方法包括：
(1)建立4H-SiC材料4°偏角三维原...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玲，王方方，李永平，郑柳，刘瑞，夏经华，田亮，杨霏，
申请(专利权)人：国网智能电网研究院，国家电网公司，国网安徽省电力公司，
类型：发明
国别省市：北京;11