Al-N共掺杂3C-SiC介电性质的第一性原理计算.pdfVIP

物 理学报 ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．5(2014) 053102 Al—N共掺杂3C．SiC介电性质的第一性原理计算冰 周鹏力 )2)3) 郑树凯1)2)t 田言3) 张朔铭 ) 史茹倩 )2) 何静芳 )2) 闫小兵 ) 1)(河北大学电子信息工程学院，保定 071002) 2)(河北大学计算材料与器件模拟研究中心，保定 071002) 3)(西安电子科技大学微电子学院，西安 710071) (2013年 10月30日收到；2013年 11月19日收到修改稿) 采用基于密度泛函理论的第一性原理平面波超软赝势法，建立了未掺杂，Al，N单掺杂和A1一N共掺杂 3C—SiC的4种超晶胞模型，并分别对模型进行了几何结构优化，对比研究了其能带结构，态密度分布和介电 常数．计算结果表 明：A1掺杂会增大SiC的晶格常数，而N对SiC的晶格影响很小．A1掺杂会导致费米能级 进入价带，使3C．SiC成为P型半导体，且带隙宽度略为加宽．N掺杂后的SiC其导带和价带均向低能端发生移 动，带隙稍有减小．本征3C—SiC几乎不具备微波介电损耗性能．但是可以通过进行Al掺杂或N掺杂加 以改 善，Al掺杂后的效果尤为突出．计算发现A1-N共掺杂后的3C—SiC材料在8．2—12．4GHz范围内其微波介 电 损耗性能急剧下降，与实验结果相符合，并对这一结果进行 了讨论分析． 关键词：A1一N共掺杂，3C—SiC，介 电性质，第一性原理 PACS：31．15．A一，71．15．Mb，77．22．Ch DOI：10．7498／aps．63．053102 段介 电吸收材料的最佳选择，如果设计合理，很有 1 引 言 可能实现轻质、薄层、宽频带和多频段吸收，具有很 好 的应用前景 1【0j． 随着现代微波 电子技术的快速发展，各种 电子 然而纯净的SiC粉体其介 电性能较差，经过P 设备 日益增多，电磁波污染愈趋严重，由之造成的 型或n型掺杂后可有效地改善其介 电性能．目前P 电磁干扰不仅影响到 电子设备的正常工作，而且会 型掺杂主要有Al和B，n型掺杂主要有N和P，分别 对人体健康造成巨大伤害．吸波材料被证实是解决 替代SiC晶格 中Si或C原子，形成替位式掺杂 [11]． 电磁污染的有效途径，因此对 电磁波吸收材料的研 Li等 [12]和Jin等 [13]分别采用燃烧合成法和微波 究具有非常重要的意义 [，．此外，吸波材料在军 合成法分别制备了A1掺杂的3C—SiC吸收材料，并 事、航天领域也有非常重要的应用 3【J_如何设计和 测试 了吸收材料在8．2—12．4GHz频率范围内的 制备性能优异的吸波材料 己成为当前研究的热点． 微波介 电性能，发现两种材料分别在A1掺杂浓度 碳化硅 fSiC)是一种性能优异的宽带隙半导体 为10％和30％处有高的介 电常数实部和虚部，证 材料，因具有带隙宽，饱和速率高，击穿电场大，力 实了Al掺杂确实可以提高SiC吸收材料的微波介 学性能好，硬度高，热导率高，化学性质稳定等特 电性能．Su等 M【】通过对 由燃烧合成反应生成的 点 【，引，被广泛应用在高温、高频、高压、高功率电子 S~C／N固溶体粉末在8．2—12．4GHz范围内介电性 器件制造领域 6【_9】，而且SiC材料是制作多波段吸 质的研究，发现N掺杂是提高3C—SiC微波介 电损 波材料的主要组成．因此，SiC是制备耐高温，多频 耗性能