基于第一性原理的Ge1-xSnx能帶結構數(shù)值計算.pdf

1、摩爾定律推動下的集成電路行業(yè)步入了16nm制程時代，Si-MOSFET器件的源漏、溝道在使用應變Si、Ge等材料時性能已經(jīng)不能滿足目前對器件性能和功耗的要求。GeSn合金材料具有Sn組分可調性，且當其用作MOSFET器件溝道材料時表現(xiàn)出的高遷移率特性使之成為新的研究熱點。實驗表明，常見的Ge材料是間接帶隙半導體，但當對其進行Sn摻雜后，且組分比例達到10％左右時，GeSn合金材料的能帶結構性質將發(fā)生從間接帶隙到直接帶隙的轉變。這種性質又

2、為其在光電集成電路中作為發(fā)光器件的原材料提供了廣闊的應用前景。
　　本文主要是采用基于第一性原理的方法對GeSn合金不同Sn組分下的晶胞結構優(yōu)化、能帶結構、禁帶寬度、總態(tài)密度、投影態(tài)密度、有效質量、遷移率、彈性常數(shù)和楊氏模量進行了數(shù)值計算研究，達到了預期的研究目的。在進行數(shù)值計算之前，本文根據(jù)能量最低原理對GeSn合金的晶胞結構進行深入優(yōu)化，在此已優(yōu)化模型上進行后續(xù)計算研究將與實驗值有很好的符合。
　　本文通過密度泛函理論在

3、對能帶結構的計算中得出結論，隨著Sn組分的增加，Ge1-xSnx合金的禁帶寬度將呈現(xiàn)總體下降的趨勢，在Sn組分為5％時下，禁帶寬度會出現(xiàn)一個極值。
　　在對GeSn合金帶隙性質轉變的研究中得到結論，在Sn組分達到10％左右比例時，其帶隙將會發(fā)生從間接帶隙到直接帶隙的轉變，這與文獻中的研究結果相同，也充分肯定了GeSn合金在光電集成電路中的應用價值。態(tài)密度和投影態(tài)密度的對于材料性質也具有重要意義，在對不同Sn組分下的態(tài)密度和投影態(tài)密

4、度的計算結果也從微觀的角度驗證了GeSn材料的帶隙性質。
　　本文通過二次曲線擬合法計算有效質量并根據(jù)其與遷移率的關系可以計算出GeSn合金不同Sn組分下的遷移率。計算結果表明在Sn組分變化時，GeSn合金的載流子遷移率隨著Sn組分x的增加呈現(xiàn)增大的趨勢。本文還對研究應變時所需的相關基礎參數(shù)進行計算，得到了不同Sn組分下Ge1-xSnx材料的彈性常數(shù)，體積模量，剪切模量和楊氏模量等計算結果，這些計算結果為后續(xù)應變工程的深入研究提供