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
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种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。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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（土彡〇. 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<i 1 2饮> 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<11 2 0>面偏 4°的4H-SiC衬底材料外延生成的。
[0004] 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，吸附的原子或分子迀移到台阶处，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。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种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。
[0006] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0007] -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：a==:3.08 A±0.5%，b:==3.08 A土0.5%, C==丨0.06 A±().5%，" = 90°，β = 90°，γ =120°，所述晶胞由中心为娃原子的四面体构成，碳娃键长力1,89 A. 所述模型上表面沿（0001)面向<11 2 0>偏4°。
[0008] -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：
[0009] (1)建立4H-SiC晶胞的三维原子结构模型；
[0010] ⑵以步骤1)所述模型为基准，建立4H-SiC的超晶胞模型；
[0011] (3)以硅面为上表面，沿（0001)面向<H 2 0>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；
[0012] (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；
[0013] (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；
[0014] (6)优化原子结构，得到4H_SiC材料4°偏角三维原子结构模型。
[0015] 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。
[0016] 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。
[0017] 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：
[0018] (1)建立4H_SiC材料4°偏角三维原子结构模型；
[0019] (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）；
[0020] (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）；
[0021] (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；
[0022] (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。
[0023] 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。
[0024] 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：
[0025] (1)建立4H-SiC材料4°偏角三维原子结构模型；
[0026] (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。
[0027] 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。
[0028] 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：
[0029] (1)建立含有缺陷的4H_SiC材料4°偏角三维原子结构模型；
[0030] (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；
[0031] (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。
[0032] -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：
[0033] (1)建立4H_SiC材料4°偏角三维原子结构模型；
[0034] (2)以硅面为氧化界面，在其上施加第1个氧原子，进行结构优化及形成能比较分 析；
[0035] (3)在氧化界面上施加第2个氧原子，进行结构优化及形成能比较分析；
[0036] (4)按类似方法，依次在氧化界面上施加 N个氧原子，进行结构优化及形成能比较 分析；
[0037] (5)在已施加 N个氧原子的基础上，优化结构，找到无定型氧化娃的结构，并计算 界面处的能带，分析在氧化过程中形成高界面态密度的原因；
[0038] (6)建立各种不同的