半导体碳化硅SiC 4

2.1第一性原理计算

第一性原理计算在探索4H-SiC表面氧化机理中起着重要作用。通过密度泛函理论 (density functional theory，DFT) 和电子结构计算方法，可以计算出碳化硅表面的结构、表面能、化学键能等物理量，进一步探索氧化反应的热力学和动力学性质。此外，第一性原理计算还可以模拟4H-SiC表面氧化过程中原子和分子的相互作用和运动，为实验研究提供了可靠的理论依据。在现有的研究中，研究人员通过DFT计算详细分析了Si表面和C表面的氧化过程，发现对于C表面，碳原子会随着吸附的氧直接从表面解离形成CO分子，而对于Si表面，Si原子与外来的O原子键合后，相邻的子层C原子彼此连接以形成碳纳米簇，以减少悬空键的数量。这揭示了碳化硅的Si和C面的氧化行为的差异，并从理论上解释了Si和C面的氧化速率不同的可能原因。此外，可以通过DFT计算研究4H-SiC C和Si表面的初始氧化过程。计算的表面能结果表明，即使在氧覆盖率低的表面上，C面上的C原子也优先形成CO分子解吸，而Si面上的O原子优先吸收。另外，在C面上，可以在SiC表面的最上层中形成三配位的O原子，从而形成具有与Si面上的特性不同的特性的SiO2-like层 (参见图5)。这些发现表明，C面和Si面之间的碳解吸行为差异以及形成的SiO2层的结构差异可能是SiC表面氧化速率各向异性的原因。

图6使用周期性DFT和反射高能电子衍射 (RHEED) 动态摆动束 [23] 来分析和研究氧分子吸附后SiC表面各种可能的化学吸附状态。计算表明，O2分子解离并吸附在最顶端的原子簇位上。首先，第一个O2分子吸附形成SiO2，然后第二个O2分子进一步吸附形成SiO4基团，然后是第三个和，第四个O2分子将吸附到吸附层位置，如图ila所示。6 (B)。研究结果为探索氧化过程中氧的吸附和扩散机理提供了一定的指导。