具有特定功能的半導(dǎo)體材料的計(jì)算設(shè)計(jì),是計(jì)算材料科學(xué)的一個(gè)重要研究領(lǐng)域. 由于半導(dǎo)體的諸多性質(zhì)取決于價(jià)帶頂和導(dǎo)帶底的電子態(tài)及其中的載流子分布,因此帶隙的大小和能帶極值的對(duì)稱性便成為半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)最受關(guān)注的問(wèn)題. 為了進(jìn)一步解決硅基光電子集成(OEIC) 技術(shù)發(fā)展的瓶頸,設(shè)計(jì)具有直接帶隙特性的硅基新材料并使其成為有效的光發(fā)射體,是一項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的工作. 本文在分析大量半導(dǎo)體能帶結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,給出類s p 系列半導(dǎo)體由間接帶隙過(guò)渡到直接帶隙的主要物理機(jī)制,并以對(duì)稱性概念、芯態(tài)效應(yīng)和電負(fù)性差效應(yīng)為基礎(chǔ),提出一種新的直接帶隙半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)方案. 根據(jù)這個(gè)方案所表達(dá)的設(shè)計(jì)思想,我們對(duì)當(dāng)前十分受關(guān)注的硅基光發(fā)射材料進(jìn)行了計(jì)算設(shè)計(jì). 結(jié)果發(fā)現(xiàn),用VI 族元素在硅生長(zhǎng)時(shí)進(jìn)行周期性插層的、具有正交和四角點(diǎn)群對(duì)稱性的人工微結(jié)構(gòu)材料VIA / Sim/ VIB / Sim/ VIA 具有直接帶隙特性. 其中當(dāng)m = 5 或奇數(shù)時(shí),材料有四角結(jié)構(gòu)對(duì)稱性,而m = 6 或偶數(shù)時(shí)是正交結(jié)構(gòu)對(duì)稱性. VIA(B) 是在< 001 > 生長(zhǎng)方向生長(zhǎng)的單層VI 族元素. 這類材料的優(yōu)點(diǎn)在于可自然地與硅實(shí)現(xiàn)晶格匹配,與微電子技術(shù)相兼容,并可較容易的用現(xiàn)行的MBE、MOCVD 或U HV2CVD 生長(zhǎng)方法實(shí)現(xiàn). 預(yù)期這類新材料及其相應(yīng)器件的研制開(kāi)發(fā),將大大開(kāi)拓全硅OEIC 和硅光子集成(PIC) 技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展.
關(guān)鍵詞: 硅基材料;直接帶隙;對(duì)稱性;材料設(shè)計(jì)