具有特定功能的半導體材料的計算設計,是計算材料科學的一個重要研究領域. 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計最受關注的問題. 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,提出一種新的直接帶隙半導體材料設計方案. 根據(jù)這個方案所表達的設計思想,我們對當前十分受關注的硅基光發(fā)射材料進行了計算設計. 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.
關鍵詞: 硅基材料;直接帶隙;對稱性;材料設計