具有特定功能的半導體材料的計算設(shè)計,是計算材料科學的一個重要研究領(lǐng)域. 由于半導體的諸多性質(zhì)取決于價帶頂和導帶底的電子態(tài)及其中的載流子分布,因此帶隙的大小和能帶極值的對稱性便成為半導體材料設(shè)計最受關(guān)注的問題. 為了進一步解決硅基光電子集成(OEIC) 技術(shù)發(fā)展的瓶頸,設(shè)計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,是一項富有挑戰(zhàn)性的工作. 本文在分析大量半導體能帶結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,給出類s p 系列半導體由間接帶隙過渡到直接帶隙的主要物理機制,并以對稱性概念、芯態(tài)效應和電負性差效應為基礎(chǔ),提出一種新的直接帶隙半導體材料設(shè)計方案. 根據(jù)這個方案所表達的設(shè)計思想,我們對當前十分受關(guān)注的硅基光發(fā)射材料進行了計算設(shè)計. 結(jié)果發(fā)現(xiàn),用VI 族元素在硅生長時進行周期性插層的、具有正交和四角點群對稱性的人工微結(jié)構(gòu)材料VIA / Sim/ VIB / Sim/ VIA 具有直接帶隙特性. 其中當m = 5 或奇數(shù)時,材料有四角結(jié)構(gòu)對稱性,而m = 6 或偶數(shù)時是正交結(jié)構(gòu)對稱性. VIA(B) 是在< 001 > 生長方向生長的單層VI 族元素. 這類材料的優(yōu)點在于可自然地與硅實現(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 生長方法實現(xiàn). 預期這類新材料及其相應器件的研制開發(fā),將大大開拓全硅OEIC 和硅光子集成(PIC) 技術(shù)的進一步發(fā)展.
關(guān)鍵詞: 硅基材料;直接帶隙;對稱性;材料設(shè)計