半导体碳化硅SiC的湿法氧化4

2.1 第一性原理计算

第一性原理计算在探究 4H-SiC 表面氧化机理的研究中起到了重要作用，通过密度泛函 理论(density functional theory, DFT)和电子结构计算方法，可以计算碳化硅表面的结构、表面 能、化学键能等物理量，并进一步探究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 表面氧化过程中的原子和分子的相互作用和运动，为实验研究提供 可靠的理论依据。在已有的研究中，研究者通过 DFT 计算详细分析了 Si 面和 C 面的氧化过程，发现对于 C 面，碳原子会与吸附氧形成 CO 分子直接从表面解离，而对于 Si 面而言， 在 Si 原子与外来 O 原子成键后，相邻亚层 C 原子相互连接，形成碳纳米簇，以减少悬挂键 的数量。这揭示了碳化硅 Si 面和 C 面氧化行为的差异，从理论上解释了 Si 面和 C 面氧化速 率不同的可能原因。此外，通过 DFT 计算可以研究 4H-SiC C 面和 Si 面的初始氧化过程。计算表面能结果表明，即使在氧覆盖率低的表面上，C 面的 C 原子会优先形成 CO 分子脱 附，而在 Si 面上 O 原子的吸收则优先发生。此外，在 C 面上，可以在 SiC 表面的最顶层形 成三配位 O 原子，从而形成特征不同于 Si 面上的 SiO2 类层（见图 5）。这些发现表明，C 面和 Si 面之间碳解吸行为的差异以及形成的 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 利用周期 DFT 和反射高能电子衍射(RHEED)动态摇摆梁[23]，分析研究了氧分子吸 附后 SiC 表面上的各种可能的化学吸附状态，计算显示 O2 分子在最顶端的原子簇位点上发 生解离吸附，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，后续第三和第四个 O2 分子将吸附于如图 6(b)中所示的 adlayer 位置。研究结果为探索 氧化过程中氧气吸附和扩散机理提供了一定的指导。