Structural stability and energy levels of carbon-related defects in amorphous SiO$_2$ and its interface with SiC
我们报告的密度泛函计算，系统地阐明了稳定形式的碳相关的缺陷和它们的能级在非晶SiO $_2$使用熔融淬火技术在分子动力学。考虑到SiC/SiO $_2$界面附近和远离界面处O化学势的位置依赖性，我们确定了最丰富的碳相关缺陷形式：远离界面处，CO $_2$或SiO $_2$内部空间中的CO是丰富的，它们是电子惰性的;在界面附近，碳聚集是可能的，并且特定的单碳缺陷和双碳缺陷在SiC导带底部附近诱导能级，从而成为载流子陷阱的候选者。
2018-10-22 cond-mat.mtrl-sci
Boron and Barium Incorporation at the 4H-SiC/SiO2 Interface using a Laser Multi-Charged Ion Source
采用激光多电荷离子源对4 H-SiC/ SiO2界面进行B、Ba离子处理。采用调Q Nd：YAG激光器（波长λ = 1064 nm，脉宽τ = 7 ns，注量F = 135 J/cm 2）烧蚀B和Ba靶，产生多电荷离子。这些离子被一个静电场偏转，使它们与中性粒子分离。利用多电荷离子在4 H-SiC中进行纳米层生长和浅离子注入。几个金属氧化物半导体电容器（MOSCAP）与B和Ba的组合在SiC/SiO2界面制作。使用高低C-V测量来表征MOSCAP。B界面层降低了MOSCAP平带电压从4.5到0.04 V，而Ba层的影响可以忽略不计。
2021-01-24 cond-mat.mtrl-sci
Effects of nitridation on SiC/SiO$_2$ structures studied by hard X-ray photoelectron spectroscopy
SiC将开启电力电子的新时代，影响从电动汽车到可再生能源的各种能源技术。其物理特性在许多方面优于硅，包括带隙、击穿场和热导率。SiC基功率半导体器件进一步发展的主要挑战是SiC与其原生电介质SiO $_2$之间的界面质量。高温氮化工艺可以极大地改善界面质量并最终提高器件性能，但对底层的化学过程仍然知之甚少。在这里，我们提出了一个能量依赖的硬X射线光电子能谱学（HAXPES）研究探测非破坏性的SiC和SiO $_2$和它们的界面在不同的气氛中处理的设备堆栈。我们成功地结合了实验室和同步加速器的HAXPES，提供了独特的见解界面缺陷的化学和钝化通过氮化过程。
2020-04-21 cond-mat.mtrl-sci
Effect of nitrogen introduced at the SiC/SiO$_2$ interface and SiC side on the electronic states by first-principles calculation
该研究通过第一性原理计算发现，在SiC/SiO$_2$界面附近引入超过4 nm的高浓度氮掺杂层可减弱量子限制、增加反型层电子密度，并使波函数峰值远离界面，从而降低界面散射、提高电子迁移率。
2023-03-15 cond-mat.mtrl-sci
Electrically detected magnetic resonance of carbon dangling bonds at the Si-face 4H-SiC/SiO$_2$ interface
基于SiC的金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）在电力电子应用中具有重要意义。然而，在SiC/SiO $_2$界面处的电活性缺陷降低了器件的理想性能。相关的微观缺陷可以通过电子顺磁共振（EPR）或电检测磁共振（EDMR）来识别。这有助于确定制造工艺的哪些变化可能会导致器件性能和可靠性的进一步提高。EDMR测量显示，在不同处理的MOSFET中，尽管在测量的$g$ -因子中观察到一些差异，但具有非常相似的主导超精细（HF）光谱。在这里，不同的SiC MOSFET测得的HF光谱进行了比较，有人认为，在所有的设备中存在相同的主导缺陷。与模拟的C悬挂键（P $_\textrm{bC}$）中心和硅空位（V $_\textrm{Si}$）的光谱数据的比较表明，P $_\textrm{bC}$中心是一个更合适的候选人来解释所观察到的HF光谱。
2017-09-25 cond-mat.mtrl-sci
Interfacial electrical and chemical properties of deposited SiO2 layers in lateral implanted 4H-SiC MOSFETs subjected to different nitridations
本文研究了在4 H-SiC上沉积SiO2层，并在NO和N2 O中进行不同的沉积后退火（PDA），以确定影响4 H-SiC MOSFET沟道迁移率和阈值电压稳定性的关键因素。特别是，PDA在NO中给出了更高的沟道迁移率（55 cm 2 V-1 s-1）比PDA在N2 O（20 cm 2 V-1 s-1），和亚阈值行为的设备证实了较低的界面态的NO的情况下的总量。后者也可以从栅控二极管配置中测量的4 H-SiC MOSFET的电容-电压特性的行为中推导出来。另一方面，循环栅极偏置应力测量允许分离的4 H-SiC带隙和近界面氧化物陷阱（NIOTs）在两个氧化物的上部和底部的界面态（NIT）的贡献。特别是，它被发现，NO退火降低了界面态捕获的电荷的总密度下降到3 × 1011 cm- 2和氧化物内捕获的那些下降到1 × 1011 cm-2。电子能量损失谱表明，在NO退火样品中这些陷阱的减少是由于在界面处的亚化学计量的氧化硅（~ 1 nm）和碳相关的缺陷（<1 nm）的量分别较低。这种相关性代表了理解SiO2/4 H-SiC界面物理的进一步进展，解释了4 H-SiC MOSFET的迁移率和阈值电压行为。
2021-07-29 cond-mat.mtrl-sci
Density functional theory study of effect of NO annealing on electronic structure and carrier-scattering property of 4H-SiC(0001)/SiO$_2$ interface
本文利用密度泛函理论计算研究了NO退火形成的氮化层对4H-SiC/SiO₂界面电子结构与载流子散射的影响，发现氮化层可屏蔽O原子的不利库仑作用，但低面N密度导致电势涨落显著散射电子，提出应提高面N原子密度以抑制散射。
2025-07-07 cond-mat.mtrl-sci
Theoretical investigation of vacancy related defects at 4H-SiC(000$\bar{1}$)/SiO$_2$ interface after wet oxidation
基于密度泛函理论的第一性原理计算，研究了湿氧化后4H-SiC(000$\ar{1}$)/SiO$_2$界面硅碳空位缺陷的稳定性与形成机制，发现湿氧化引入的H原子终止悬挂键导致产生碳反位-碳空位和双空位缺陷。
2022-02-12 cond-mat.mtrl-sci
Individual Characterization of Fast-Responding Trap States at the NO-Annealed SiO$_2$/4H-SiC Interface
The University of Tokyo（东京大学）
利用频率调制原子力显微镜的能量耗散信号，在NO退火的SiO$_2$/4H-SiC界面可视化并分析了单个快速响应陷阱态，发现其与氮化相关且能级分布延伸至界面导带边缘。
2026-05-26 cond-mat.mtrl-sci
Identification of two trapping mechanisms responsible of the threshold voltage variation in SiO$_2$/4H-SiC MOSFETs
采用基于循环栅压应力的非弛豫方法，对SiO $_2$ /4 H-SiC系统中界面或近界面陷阱进行了全带隙探测。研究了横向MOSFET阈值电压的温度不稳定性，发现了两种独立的陷阱机制，一种机制与温度无关，它与近界面氧化物陷阱的存在有关，这些陷阱是通过半导体的隧穿而被俘获的。第二种机制，具有0.1 eV的激活能，已被关联到本征缺陷的存在下，在SiO $_2$ /4 H-SiC界面。
2020-04-30 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Characterization of Traps at Nitrided SiO$_2$/SiC Interfaces near the Conduction Band Edge by using Hall Effect Measurements
利用霍尔效应测量和分裂电容-电压测量的一个简单的，新开发的表征方法，定性地研究了氮化对在$_2$ /SiC界面附近的导带边缘的陷阱密度的影响。结果表明，氮化的导带边缘附近的界面陷阱的密度显着减少，以及高密度的界面陷阱，这是不消除氮化。
2017-03-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Density functional theory calculations for investigation of atomic structures of 4H-SiC/SiO$_2$ interface after NO annealing
本文利用密度泛函理论计算提出了NO退火后4H-SiC/SiO$_2$界面各面的原子结构，发现N原子在界面积累并形成氮化物层，消除了CO键引起的间隙态，从而降低界面缺陷密度。
2022-04-29 cond-mat.mtrl-sci
Characterization of Interface Traps in SiO$_2$/SiC Structures Close to the Conduction Band by Deep-Level Transient Spectroscopy
用恒电容深能级瞬态谱研究了氧化气氛和晶面对界面陷阱密度的影响，以阐明它们的来源。通过比较在N $_2$ O气氛中氧化的低迁移率界面的DLTS谱与在湿气氛中氧化的C面上的高迁移率界面的DLTS谱，发现在与晶面无关的低迁移率界面中，通常在距导带边缘0.16 eV的能量附近观察到高密度的陷阱（$C1$陷阱）。另外，还发现了晶面特有的陷阱的产生和消除：（1）$C1$陷阱只能在C面上通过湿氧化消除，（2）在SiC/SiO $_2$界面上只能在Si面上观察到$O2$陷阱（0.37 eV）。通过湿氧化在Si面上产生$O2$陷阱和在C面上消除$C1$陷阱可以由晶面特有的氧化反应引起。
2014-09-25 cond-mat.mtrl-sci
Electron trapping at SiO2/4H-SiC interface probed by transient capacitance measurements and atomic resolution chemical analysis
研究栅氧化层（SiO2）与碳化硅（4 H-SiC）界面的电学和结构特性是一个基础性课题，对于理解和优化金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的性能具有重要意义。本文结合瞬态栅电容测量（C-t）和亚纳米分辨率的扫描透射电子显微镜电子能量损失谱（STEM-EELS）技术，研究了横向4 H-SiC MOSFET中的近界面氧化物陷阱（NIOT）。作为温度的函数的C-t测量结果表明，有效的NIOTs放电时间是温度无关的，电子从NIOTs发射到半导体通孔隧穿。NIOTs的放电时间进行建模，同时考虑到隧道弛豫模型中的界面态密度，它允许在距离SiO2/4 H-SiC界面高达1.3nm的隧道距离内定位陷阱。另一方面，亚纳米分辨率STEM-EELS揭示了非突变（NA）SiO2/4 H-SiC界面的存在。NA界面示出了亚化学计量的SiOx基质中的碳原子的重新排列。在NA界面区域的混合sp2/sp3碳杂化表明界面碳原子已经失去了四面体SiC配位。
2020-01-14 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Atomic-Scale Dynamics of the Formation and Dissolution of Carbon Clusters in SiO2
SiC的氧化产生SiO2，同时释放CO。然而，在较低温度下的“再氧化”步骤对于生产高质量的SiO2是必要的。该步骤被认为净化了残留C的氧化物，而没有SiC衬底的进一步氧化。我们报告的第一性原理计算，描述的成核和生长的O-缺乏的C簇在二氧化硅氧化条件下，由生产的CO在前进的接口，并通过供应O再氧化条件下逐渐溶解。我们预测，在这两个步骤中都释放出CO和CO2。
2001-05-29 cond-mat.mtrl-sci
Comparative study of defect energetics in HfO2 and SiO2
基于密度泛函理论，我们对单斜晶系氧化铪（m-HfO 2）和α-石英（SiO2）中的替位和空位缺陷进行了从头计算.研究了HfO_2和SiO_2中的中性氧空位和替位Si、Hf缺陷。我们的计算结果表明，对于一个大范围的Hf化学势，Si的替代缺陷是最有可能形成在HfO 2，导致在HfO 2/Si界面处的硅酸盐层的形成。我们还发现，它是更有利于在SiO2中形成氧空位比在HfO 2，这意味着缺氧HfO 2生长在SiO2的顶部将消耗从SiO2的氧。
2003-10-30 cond-mat.mtrl-sci
Energetics of Cs in Sigma3 grain boundary of 3C-SiC
采用密度泛函理论研究了3C-SiC中σ 3晶界Cs缺陷的能量学，以了解晶界在Cs扩散中的作用及其最终从三结构各向同性燃料颗粒（TRISO）中的释放. Cs在Sigma 3晶界处比在SiC块体中稳定得多，晶界处的形成能比块体中显著降低（7- 17 eV）。它被发现有甚至更低的形成能比Ag在Sigma 3晶界，而这种趋势是相反的，在体SiC中，如先前从类似的密度泛函理论计算证明。在此基础上，提出了通过晶界工程控制Cs从SiC层中释放的可能途径。
2016-04-08 cond-mat.mtrl-sci
Investigation of the SiO2-SiC interface using low energy muon spin rotation spectroscopy
使用正μ子作为以低能量注入的局部探针使得能够以纳米深度分辨率收集关于感兴趣的材料的信息（低能量μ子自旋旋转光谱（LE- $μ$ SR））。在这项工作中，我们利用LE- $μ$ SR的能力来进行SiO $_\text{2}$ -SiC界面的研究。研究了热氧化样品在一氧化氮（NO）和氩气（Ar）气氛中退火前后的变化。发现热氧化导致在靠近界面的SiC晶体和在界面本身的结构变化。已知NO环境中的退火钝化缺陷，导致界面陷阱（D $_{it}$）的密度降低; LE- $μ$ SR进一步揭示NO退火导致SiC中的高载流子浓度的薄层，取决于退火条件延伸到50 nm以上。我们还看到在热氧化之后在SiC中形成Si空位（V $_{Si}$）的迹象。NO退火后，氮占据的V $_{Si}$网站，导致D $_{it}$的减少，并在同一时间，创建一个电荷载流子丰富的区域附近的界面。通过比较的LE- $μ$ SR数据从一个已知的掺杂密度的样品，我们执行一个高分辨率的量化的自由载流子浓度的界面附近的NO退火后，并讨论观察到的近表面的变化的起源。最后，使用$μ$ SR示出了在界面下方的区域中的MOS电容器中的载流子的耗尽。NO退火的样品示出了最窄的耗尽区域，这可能是由于界面附近的D $_{it}$减小和电荷载流子富集区域。我们的研究结果表明，利用LE- $μ$ SR的许多好处，研究已无法与其他技术的半导体器件的关键区…
2022-11-18 cond-mat.mtrl-sci
Atomic scale localization of Kohn-Sham wavefunction at SiO2/4H-SiC interface under electric field, deviating from envelope function by effective mass approximation
利用密度泛函理论计算电场下SiO2/4H-SiC界面的Kohn-Sham波函数，揭示电子在原子尺度局域于近界面立方晶位，解释EMA失效及(0001)面低沟道电导率成因。
2023-03-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Infrared absorption property of silicon carbide-silica nanocables synthesized by ethanol pyrolysis
提出了一种可控合成SiC-SiO $_{2}$纳米电缆的方法。通过调节Ar稀释气体和乙醇前驱体的流量比，改变SiC核的直径和SiO $_{2}$壳的厚度。傅立叶变换红外光谱（FTIR）谱图显示，随着流量的增加，1137 cm $^{-1}$峰增强。该峰被认为是源于SiO $_{2}$壳的高度无序的表面结构，其随着流量的增加而增强。FTIR谱图显示出910 cm的$^{-1}$峰，该峰是由p极化场激发的SiC纳米结构中的表面声子共振引起的。
2015-08-18 cond-mat.mtrl-sci
Energetics and metastability of the silicon vacancy in cubic SiC
硅空位是立方SiC（3C-SiC）的一个重要的本征缺陷，迄今为止，人们在实验和理论上都对它进行了大量的研究。我们计算其属性使用GW近似，不受带隙问题。所获得的形成和过渡能显着偏离通常的密度泛函理论的评价，现在比较有利的实验。然后提出了一个新的分配的光致发光的主线。我们进一步进行GW计算的鞍点的反应路径。由此产生的势垒能量解释了热退火实验由于一个原始的机制介导的少数电荷配置。
2011-03-14 cond-mat.mtrl-sci
Energetics of nitrogen incorporation reaction in SiO2
我们使用第一性原理计算研究了氮在SiO2中的能量、结构和电子性质。我们考虑NO，NH，N2和原子N作为氮化物种与Si-Si键的，否则完美的SiO2网络，以模拟氮掺入附近的Si/SiO2界面区域。结果表明，所有物种均与硅-硅键反应，形成与硅原子的桥结构，而不发生解离，其中NH和N原子形成最稳定的桥结构。关于电子性质，我们的结果表明，合并的NH是唯一的结构，不引入捕获中心的界面。涉及NO和原子N的结构是受体，而涉及N2的结构可以是供体或受体。讨论了电活性中心的氢钝化问题。
2003-11-13 cond-mat.mtrl-sci
Density functional theory description of hole-trapping in SiO$_2$: a successful self-interaction-corrected approach
我们提出了一个自相互作用校正（SIC）密度泛函理论（DFT）的方法来描述系统的一个未成对的电子或空穴，如自旋1/2缺陷中心的固体或自由基。我们的功能是易于实现和它的最小化不需要额外的计算工作相对于普通DFT泛函。特别是，它不存在多个最小值，作为传统的SIC泛函。我们成功地验证了研究Al替代杂质在石英中的空穴自陷的方法。我们表明，我们的方法纠正了这个系统中的标准DFT泛函的众所周知的故障。
2004-07-29 cond-mat.mtrl-sci
Intrinsic Origin of Negative Fixed Charge in Wet Oxidation for Silicon Carbide
基于第一性原理计算，我们证明了SiO $_2$中类碳酸根结构的形成可能是SiC热氧化过程中负固定电荷的内在来源.我们发现负固定电荷的两个可能来源是O孤对电子态和SiO $_2$中带负电荷的CO $_3$离子。这种CO $_3$离子能够由于SiO $_2$中存在残留的C原子（其预期从SiC和SiO $_2$之间的界面发射）以及在湿氧化期间掺入H原子而形成。
2012-04-25 cond-mat.mtrl-sci
Energetics and bonding properties of the Ni/$β$-SiC (001) interface: an ab-initio study
采用高精度的第一性原理全电子FLAPW方法研究了Ni单分子层在$β$ -SiC（001）表面的吸附.总能量计算的Si-和C-终止表面显示高Ni-SiC吸附能，相对于其他金属，确认强反应性和稳定性的过渡金属/SiC界面。这些高结合能，约7.3-7.4 eV，显示与强的$p$ - $d$杂化有关，这对于表面终止和不同的吸附位点是共同的，尽管存在大的失配，但可以稳定覆盖层生长。详细分析了成键机理、表面态杂化、电荷转移和表面核能级移动，揭示了成键的强共价性。适当的会计后的Madelung长期，核心水平的转变是遵循电荷转移的趋势。
2001-02-21 cond-mat.mtrl-sci
Stacking order effects on the energetic stability and electronic properties of $n$-doped graphene/h-BN van der Waals heterostructures on SiC(0001)
研究了由具有不同电子特性的堆叠二维材料制成的异质结构在创建多功能器件中的潜力。石墨烯（G）和六方氮化硼（h-BN）范德华（vdW）体系已经被广泛研究，包括最近关于在石墨烯/SiC（0001）模板上合成h-BN的研究。这些研究表明，h-BN封装可以发生除了VDW外延。本文对SiC（0001）衬底上具有碳缓冲层的G/h-BN异质结构进行了理论研究。结果显示，单层石墨烯下方的h-BN封装具有能量偏好：双层系统中的G/h-BN/SiC和三层系统中的G/h-BN/G/SiC。电子结构计算表明，石墨烯的线性能带色散在双层体系中得到保持，但由于石墨烯的电子掺杂水平不同，狄拉克点位于不同的能量位置。在三层系统中，石墨烯的掺杂水平也取决于堆叠顺序。G/h-BN/G/SiC的电子能带结构在费米能级以下具有两个能量不同的狄拉克点。较不稳定的系统如G/G/h-BN/和h-BN/G/G/SiC在费米能级附近显示抛物线带。基于C-1 s核心能级位移（CLS）和碳K边X射线吸收近边光谱（XANES）的模拟进行了额外的结构表征，以帮助这些石墨烯/h-BN vdW系统中的未来实验光谱。
2023-03-14 cond-mat.mtrl-sci
Bonding Nature, Structural Optimization, and Energetics studies of SiC Graphitic-Like layer Structures and Single/Double Walled Nanotubes
SiC类石墨结构的结构优化和能量学研究已在理论上研究的背景下形成稳定的类石墨层结构，单壁和多壁纳米管使用基于DFT的维也纳ab-inito模拟包。原子的成键性质的优化结构已被检查使用本地分析技术的基础上自洽和环境依赖的半经验哈密顿量。我们的研究结果表明，稳定的SiC类石墨层结构具有sp2键的性质，从sp3键的性质在块状SiC不同。Si和C原子之间的键合构型的这种灵活性保持了宽范围的稳定SiC基结构的可能性，类似于碳基结构的那些。在SiC基纳米管的情况下，我们已经计算了诸如应变能、圆柱壳中的屈曲度以及Si和C原子之间的键电荷等量，以获得对优化结构的理解。SiC类石墨多层片的最佳层间距已被发现取决于SiC类石墨结构的不同层中的原子的排序（双层排列的Si-C序列为0.37 nm，双层排列的Si-Si或C-C序列为0.48 nm）。这些观察结果可能归因于电荷在Si和C原子之间重新分布引起的库仑相互作用。另一方面，在SiC双壁纳米管中存在两个不同范围的层间间距（锯齿形为0.38 nm，扶手椅形为0.48 nm），这与主要的层间邻居是Si-C型还是Si-Si和C-C型有关。
2009-01-22 cond-mat.mtrl-sci
Impact of the NO annealing duration on the SiO2/4H-SiC interface properties in lateral MOSFETs: the energetic profile of the near-interface-oxide traps
本文通过TCAD能带仿真和横向MOSFET强反型电学测试，研究NO退火时间对SiO2/4H-SiC近界面氧化物陷阱能量分布及电荷俘获的影响。
2024-10-28 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Theoretical Study of Carbon Clusters in Silicon Carbide Nanowires
利用第一性原理方法对碳化硅纳米线中的碳团簇进行了理论研究。我们研究了氢钝化SiC纳米线沿[100]和[111]方向生长的碳原子团簇和反位团簇。这些团簇的形成能计算为碳浓度的函数。我们验证了SiC纳米线中碳缺陷的能量稳定性强烈依赖于纳米线表面的组成：碳包覆[100] SiC纳米线中能量最有利的构型预计不会发生在硅包覆[100] SiC纳米线中。一些聚集体的结合能也得到了，他们表明，在SiC纳米线的碳团簇的形成是积极的青睐。
2011-07-20 cond-mat.mtrl-sci
Density functional theory study on effect of NO annealing for SiC(0001) surface with atomic-scale steps
本研究利用密度泛函理论计算发现，NO退火在4H-SiC(0001)/SiO2界面引入氮化层，屏蔽了O原子的库仑相互作用，修复了台阶边缘反型层的不连续性，从而提高了移动电子密度并改善了器件性能。
2023-08-01 cond-mat.mtrl-sci
High-temperature quantum spin Hall states in buckled III-V-monolayer/SiO$_{2}
在对几乎所有的无机三维材料建立了基本的理解和高通量的拓扑表征之后，普遍的兴趣和功能应用的需求推动了拓扑绝缘体的研究，以探索具有更稳健的拓扑性质和更少的制造挑战的系统。因此，铋烯/SiC（0001）中室温量子自旋霍尔（QSH）态的成功演示引发了对实验上易于访问的二维拓扑系统和更大拓扑间隙的搜索。在这项工作中，我们提出了一个家庭的III-V蜂窝单层SiO $_{2}$是下一代的大间隙QSH系统，基于此自旋电子器件可能会在室温下工作，由于其扩大的拓扑间隙（$\sim$ 900毫电子伏）相比，铋/SiC（0001）。基本上，这也实现了不同于Kane-Mele型铋/SiC（0001）的带反转型QSH绝缘体。
2021-12-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Phonon Knudsen flow in nanostructured semiconductor systems
我们确定的晶格热导率的纳米线和多层结构中形成的一些典型的半导体材料的尺寸效应，使用玻尔兹曼输运方程，并专注于努森流效应。对于这两种类型的纳米结构的系统，我们发现，声子输运显着降低低于体积值的边界散射界面缺陷和/或界面模式。努森流效应对于几乎所有类型的半导体纳米结构都很重要，但我们发现它们在Si和SiC系统中最明显，这是由于非常大的声子平均自由路径。我们应用和测试我们的线热传输的结果，最近的测量硅纳米线。我们进一步研究和预测典型的多层SiC纳米结构中的尺寸效应，例如，掺杂的SiC/SiC/SiO $_2$分层结构，可以定义纳米晶体管中的传输通道。这里的声子界面散射产生的异质结构的热导率小于在传统的热传输计算中预测的，这表明传统的傅立叶分析，即使在室温下的故障。最后，我们表明，在SiC/SiO $_2$异质结构的有效热输运是敏感的氧化物的深度，因此可以作为一个原位探针的SiC氧化进程。
2005-03-30 cond-mat.mtrl-sci
Structure and energetics of the Si-SiO_2 interface
硅一直是半导体技术的代名词。这种独特的作用主要是由于Si-SiO_2界面，特别是（001）取向的界面所具有的特殊性质。虽然硅是结晶的，氧化物是非晶的，但界面基本上是完美的，具有极低密度的悬挂键或其他电活性缺陷。随着器件尺寸的不断减小，硅/氧化物界面的纳米结构变得越来越重要。然而，尽管它的重要作用，这个界面的原子结构仍然不清楚。使用一种新的蒙特卡罗方法，我们确定低能量的界面结构。发现的最佳结构由Si-O-Si“桥”组成，以条纹图案排列，具有非常低的能量。这种结构解释了几个令人困惑的实验观察结果。
1999-03-29 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.stat-mech
First-principles calculations that clarify energetics and reactions of oxygen adsorption and carbon desorption on 4H-SiC ($11\bar20$) surface
我们报告的静态和动态的第一性原理计算，提供原子的图片的氧化过程发生在（$11\bar20$）表面的4 H-SiC的初始阶段。我们的研究结果揭示了氧的吸附和碳原子的解吸的反应途径和它们相关的自由能势垒。我们发现氧吸附表现出结构的多重稳定性，并且表面桥位点是随后氧化的最稳定和关键位点。我们发现，一个接近O $_2$分子吸附，然后解离，最后迁移到这些表面桥网站的自由能垒为0.7 eV的（$11\bar20$）表面。我们还发现，一个CO分子从亚稳氧化结构解吸后，克服的自由能势垒为2.4 $\sim$ 2.6 eV，从而构成的湮灭过程中的C在氧化过程中的一个。比较了CO分子在（$11\bar20$）和（$000\bar1$）表面上的脱附结果。在（$000\bar1$）表面上发现了表面悬挂键的催化作用，导致CO脱附能的急剧降低，并且该作用的微观图像归因于从Si到C悬挂键的电子转移。本征（$11\bar20$）表面不显示这种催化效应，这是因为表面由等量的Si和C悬挂键组成，并且电子转移发生在脱附之前。
2016-11-16 cond-mat.mtrl-sci
Reduction of interface state density in SiC (0001) MOS structures by low-oxygen-partial-pressure annealing
我们报道了在低氧分压（low-p $_{\rm O2}$）环境中退火可以有效地降低SiC（0001）/SiO $_{\rm 2}$界面处的界面态密度（D $_{\rm IT}$），该界面态密度靠近SiC的导带边缘（E $_{\rm C}$）。通过高（1 MHz）-低方法估计的在E $_{\rm C}$ $-$ 0.2 eV处的D $_{\rm IT}$值在氧化态样品中为6.2 $\times$ 10 $^{12}$ eV $^{-1}$ cm $^{-2}$，其通过随后在O $_{\rm 2}$（0.001%）中在1500 ${}^\circ$ C退火而降低至2.4 ${\times}$ 10 $^{12}$ eV $^{-1}$ cm $^{-2}$，而没有界面氮化。尽管在纯Ar中退火在氧化物中引起漏电流，但低p $_{\rm O2}$退火（p $_{\rm O2}$ = 0.001 - 0.1%）不会降低氧化物介电性质（击穿场~ 10.4 MVcm $_{\rm O2}$）。
2019-01-17 cond-mat.mtrl-sci
A first principles study of As doping at a disordered Si--SiO$_2$ interface
了解掺杂剂与氧化物界面之间的相互作用，是推动现代晶体管进一步集成的一个日益重要的问题。为此，使用第一性原理密度泛函理论和连续随机网络蒙特卡罗方法相结合，我们研究了在硅和它的氧化物之间的界面处的电活性砷施主。使用一个现实的模型的无序界面，我们发现，一个小的百分比（约10%）的原子网站在前几个单层上的硅侧的接口是积极有利于偏析，这是由本地键合和本地应变的缺陷中心控制。我们还发现，有一个长程量子限制效应，由于界面，这导致在掺杂剂偏析的能量障碍，但这个障碍是小的本地环境的影响相比。最后，我们考虑在何种程度上可以通过施加应变的界面控制能量的偏析。
2013-11-11 cond-mat.mtrl-sci
Band Offsets at Semiconductor-Oxide Interfaces from Hybrid Density Functional Calculations
通过基于混合密度泛函的方案来确定超导体-氧化物界面处的能带偏移，该方案包含Hartree-Fock交换的一部分$α$。对于每个体成分，调节部分$α$以再现实验带隙，然后相对于参考能级定位导带和价带边缘。通过界面计算确定批量参考水平的排列，并且显示几乎与分数$α$无关。将该方案应用于Si-SiO $_2$、SiC-SiO $_2$和Si-HfO $_2$界面，得到了与实验非常一致的结果。
2008-09-18 cond-mat.mtrl-sci
Elucidation of the atomic-scale mechanism of the anisotropic oxidation rate of 4H-SiC between the ($0001$) Si-face and ($000\overline{1}$) C-face by using a new Si-O-C interatomic potential
碳化硅（SiC）是一种在电力电子器件中有广泛应用前景的半导体材料。然而，高质量SiC/SiO ${}_2$界面的制造一直是一个挑战。众所周知，Si面和C面之间的氧化速率存在很大差异，并且Si面上的氧化物质量大于C面上的氧化物质量。然而，SiC热氧化的原子机制仍有待解决。本文提出了一种新的Si-C-O原子间相互作用势来再现SiC热氧化动力学。使用这种新开发的潜力，在不同温度下进行大规模的SiC氧化模拟。结果表明，Si面的活化能远大于C面。在Si面的情况下，产生包括Si ${}^{1+}$的平坦且对准的界面结构。基于估计的中间氧化物状态的活化能，它提出了平坦的界面结构的稳定性是起源的Si面的氧化的高活化能。相反，在C面的情况下，发现界面处的Si原子容易被O原子上拉。这一过程产生了无序的界面，降低了氧化的活化能。还提出在C面的情况下产生许多过量的C原子。
2018-04-24 cond-mat.mtrl-sci
First-principles study on structure and anisotropy of high N-atom density layer in 4H-SiC
采用氮化退火工艺降低了界面陷阱态，降低了4H-SiC/SiO ${}_2$金属氧化物半导体场效应晶体管的沟道迁移率。在最近的实验中，高N-原子密度层在退火界面处的存在被报道，并且已知它们的浓度在晶面中是各向异性的。到目前为止，原子结构和周围的氮化退火过程中纳入的N原子的各向异性的起源的电子状态的作用还没有得到很好的理解。在这项工作中，我们提出了一个简化的原子尺度模型结构的4H-SiC与高N原子密度层（$\sim 10^{15}~\mathrm{atom}/\mathrm{cm}^2$），这是实验观察的顺序。我们使用块体4H-SiC作为主体晶体，并考虑在准立方-（$k$-）和六方-（$h$-）位置上的N原子结合结构的几组原子构型的$a$-，$m$-和Si-（C-）平面。基于密度泛函理论计算，我们研究了能量稳定性对分布方向的影响。虽然我们的体模型是简化相比，现实的界面结构，我们确认模型之间的显着差异，并观察到N原子上的$a$面的掺入是稳定的。此外，从电子态的分析，我们认为，这种形成能的各向异性起源于由于N-原子纳入结构的几何构型的差异而导致的配位数的变化。
2021-08-18 cond-mat.mtrl-sci
On the origin of the premature breakdown of thermal oxide on 3C-SiC probed by electrical scanning probe microscopy
利用导电原子力显微镜（C-AFM）和扫描电容显微镜（SCM）研究了生长在立方碳化硅（3C-SiC）上的热氧化物（SiO2）的介电击穿（BD），并与宏观金属氧化物半导体（MOS）电容器的电学行为进行了比较。空间分辨统计的氧化物BD事件的C-AFM显示，外在的过早BD是相关的存在下特有的扩展缺陷，反相边界（APBs），在3C-SiC层。SCM分析表明，在堆垛层错（SF）的3C-SiC，这可以解释为在导带中的态密度的局部增强的载流子密度较大。另一方面，少数载流子浓度的局部增加推导出APBs，表明它们的行为作为导电缺陷也有可能捕获正电荷。用正电荷缺陷对应的局部电场增强解释了上述结果。
2020-05-04 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Defect Profiling of Oxide-Semiconductor Interfaces Using Low-Energy Muons
低能μ子自旋旋转（LEμSR）是一种强有力的原子核方法，可以在$\approx$ \SI{200}{\nano\meter}尺度上研究表面附近区域和薄膜的电磁性质。在这项工作中，我们展示了利用低能量μ子对氧化物-半导体界面进行深度分辨表征的潜力，即硅（Si）和碳化硅（4 H-SiC）。二氧化硅（SiO $_2$）生长的等离子体增强化学气相沉积（PECVD）和热氧化的SiO $_2$ -半导体界面的接口和缺陷的形成进行了比较。μ的纳米深度分辨率允许氧化物层和半导体层之间的明确区分，同时还量化了由Si和SiC的氧化引起的结构变化的范围。
2022-06-02 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Structural and electronic properties of Li intercalated graphene on SiC(0001)
利用角度分辨光电子能谱和第一性原理密度泛函理论研究了Li嵌入SiC（0001）单层石墨烯的结构和电子性质. Li在室温下在缓冲层和SiC之间的界面处以及两个碳层之间嵌入。由于来自Li原子的电荷转移，石墨烯是强$n$掺杂的，并且在$\bar{K}$ -点处可见两个$n$-带.在将样品加热到300 $^\circ$ C之后，这些$π$ -带变得尖锐并且具有与Bernal堆叠的双层石墨烯的分散明显不同的分散。我们认为，锂原子插入两个碳层之间的有序结构，类似于散装LiC $_6$。这两个层的AA堆叠在能量上变得有利。$\bar{K}$ -点周围的$π$ -带与计算的C $_6$ LiC $_6$体系的能带结构非常相似，其中插入的Li原子在石墨烯电子结构上施加超电势，从而在两个$π$ -锥的狄拉克点处打开伪能隙.
2016-02-26 cond-mat.mtrl-sci
Carbon rehybridization at the graphene/SiC(0001) interface: Effect on stability and atomic-scale corrugation
我们解决的能量稳定性的石墨烯/SiC（0001）界面和相关的绑定机制，通过研究一系列的低应变相称的界面结构内的密度泛函计划。在应变可忽略的结构中，6 \surd 3 \times 6 \surd 3 R30° SiC周期性显示出最低的界面能，为其频繁的实验观察提供了理论基础。界面的稳定性是由增强的局部反应性的衬底键合的石墨烯原子经历sp2-到-sp3再杂化（重杂化）。通过这种机制，更高稳定性的松弛结构在原子尺度上表现出更明显的石墨烯波纹。
2012-05-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Native point defects and carbon clusters in 4H-SiC: A hybrid functional study
我们报告的第一性原理计算，澄清的形成能量和电荷跃迁水平的原生点缺陷和碳团簇在4 H多型碳化硅（4 H-SiC）在富碳条件下。我们采用了一种混合功能，再现SiC的实验带隙以及提供可靠的缺陷特性。对于点缺陷，我们调查了单空位，反位，和相关网站上的Si和C的晶体。对于碳团簇，我们系统地将两个额外的C原子引入到完美的4 H-SiC晶格中，去除Si原子和不去除Si原子，并进行结构优化以确定稳定的缺陷构型。我们发现，中性Si反位是积极有利的Si点缺陷在很宽的范围内的费米能级位置周围的本征制度，而带负电荷的Si空位和带正电荷的Si间隙的网站上包围的三个Si和三个C原子成为有利的n型和p型条件下，分别。对于C点缺陷，中性C反位是有利的本征和n型条件下，而带正电的C空位成为有利的p型条件下。我们还发现，一个二碳反位是更有利的比一个C-分裂间隙，这是最稳定的形式的单碳化合物。
2019-01-17 cond-mat.mtrl-sci
Spectroscopic parameters related to non bridging oxygen hole centers in amorphous-SiO2
在1.9 eV的发光和在2.0 eV和4.8 eV的吸收带之间的关系进行了研究，在各种各样的合成二氧化硅样品暴露于不同的γ-和β-射线照射剂量。我们发现，这些光学带的强度是线性相关的协议与模型中，它们被分配到一个单一的缺陷。这一发现允许确定与光学跃迁效率相关的光谱参数：4.8 eV的振子强度比2.0 eV的振子强度高约200倍; 4.8 eV激发下的1.9 eV发光量子产率比2.0 eV激发下的发光量子产率低（约3倍）。这些结果与文献中提出的非桥氧空穴中心的能级方案一致，并解释了紫外和可见吸收后的激发/发光途径
2005-03-30 cond-mat.mtrl-sci
Exhaustive characterization of modified Si vacancies in 4H-SiC
碳化硅中的带负电荷的硅空位（$\mathrm{V_{Si}^-}$）是量子应用中被充分研究的点缺陷。与此同时，对系综光致发光和电子顺磁共振测量的仔细检查揭示了丰富的相关但迄今尚未识别的信号。在这项研究中，我们寻找4 H-SiC中的缺陷，解释了自动缺陷分析和鉴定（ADAQ）工作流程生成的缺陷数据库中的上述磁光信号。这项研究只揭示了一类在数据中表现出类似硅空位性质的原子结构：在距离硅空位亚纳米距离内的碳反位（$\mathrm{C_{Si}}$）仅轻微改变后者，而不影响电荷或自旋状态。这样的微扰在能量上是有界的。我们认为形成的$\mathrm{V_{Si}^-+C_{Si}}$到2 nm的距离，并报告其零声子线和零场分裂值。此外，我们在硅空位区进行高解析度的光致发光实验，发现大量的发光线。比较我们的计算和实验结果，几个配置显示出很大的一致性。我们的工作证明了在量子应用中搜索缺陷的高吞吐量结果数据库的有效性。
2022-10-19 cond-mat.mtrl-sci
Density functional theory study of quasi-free-standing graphene layer on 4H-SiC(0001) surface decoupled by hydrogen atoms
外延生长在SiC（0001）表面的石墨烯在实验和理论上都得到了广泛的研究。发现在这种结构中的第一外延石墨烯层是缓冲层，即在与其相关联的能带结构中不存在特征狄拉克锥。Riedl等人（Phys.Rev.Lett. 103，246804（2009））最近在他们的实验工作中观察到，SiC-石墨烯样品的氢嵌入可以恢复自立式石墨烯典型的电子性质。采用从头计算方法对石墨烯层脱耦过程中的氢渗透路径和氢原子的能量稳定位置进行了模拟。从所获得的结果可以得出，由于嵌入，石墨烯层移动离开以实现与SiC表面的约3.9 A的距离。电子能带结构，计算这种准独立的石墨烯，表现出Dirac-cone行为，这是在协议与ARPES测量。
2010-03-25 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Structural, electronic, and optical properties of 6H-SiC layers synthesized by implantation of carbon ions into silicon
通过碳离子注入硅并在高剂量下合成高质量6H-SiC薄膜，研究了其结构、电子和光学性质，发现过量碳形成少量氧化碳纳米结构但不影响光学性能。
2024-05-28 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Towards Identifying the PL6 Center in SiC: From First-Principles Screening to Hyperfine Validation of Competing Defect Candidates
University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；CAS Center for Excellence in Quantum Information and Quantum Physics, University of Science and Technology of China（中国科学院量子信息与量子物理前沿卓越中心，中国科学技术大学）；School of Biomedical Engineering and Suzhou Institute for Advanced Research, University of Science and Technology of China（中国科学技术大学生物医学工程与先进技术学院，苏州）；Institute of Quantum Sensing and School of Physics, Zhejiang University（浙江大学量子传感研究所和物理学院）；Hefei National Laboratory, University of Science and Technology of China（合肥国家实验室，中国科学技术大学）
本研究通过第一性原理计算和超精细验证，确定SiC中PL6中心的微观结构为OV(hh)，并揭示PL5和PL6可能具有不同的起源。
2025-08-02 cond-mat.mtrl-sci
Spatially-Modulated Silicon Interface Energetics via Hydrogen Plasma-Assisted Atomic Layer Deposition of Ultrathin Alumina
原子层沉积（ALD）是用于半导体器件的持续缩放的关键技术，其越来越依赖于用于在原子尺度上的3D结构化表面的界面操纵的可再现且可缩放的工艺。虽然ALD允许在低温下合成保形膜，并对厚度进行最大限度的控制，但由于成核期间的三维生长，原子限定的封闭涂层和表面改性仍然非常难以实现。在这里，我们提出了一种途径，对亚纳米薄和连续的氧化铝（AlOx）涂层的硅（Si）基板上的表面电荷密度和界面能量的空间控制。我们使用三甲基铝（TMA）与远程氢等离子体的组合，而不是气相氧化剂的氧化硅转化为氧化铝（AlOx）。在最初的ALD循环期间，TMA与硅上的表面氧化物（SiO2）反应，直到存在结合位点的饱和，之后来自下面的表面氧化物的氧被消耗，从而将硅氧化物转化为用AlOx覆盖的Si。根据ALD循环的数量，SiO2可以部分或完全转化，我们利用它来创建亚纳米薄且连续的AlOx层，该AlOx层沉积在通过光刻图案化限定的选定区域中。所得图案化表面的特征在于具有小至0.3 nm的台阶高度和超过0.4 V的表面电位台阶的横向AlOx/SiO2界面。此外，引入$9 \times 10^{12}$ cm $^{-2}$的固定负电荷使得能够调制表面能带弯曲，这与Si的场效应钝化和跨接触界面的低阻抗电荷转移有关。
2022-09-24 cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Uniaxial stress tuning of interfacial thermal conductance in cubic BAs/4H-SiC heterostructures
利用近第一性原理精度的机器学习势和非平衡分子动力学，研究 cBAs/4H-SiC 界面热导，发现 B-C 键合及垂直单轴应力可显著提升 ITC。
2025-06-14 cond-mat.mtrl-sci
Seven-coordinated Silicon in a SiO2He Compound Formed under the Extreme Conditions of Planetary Interiors
高压下原子配位数的变化是凝聚态物理的基础，因为它们会引发意想不到的结构和现象的出现。除了通常的六配位结构之外，硅还能够在压缩下形成八配位、九配位和十配位结构。缺少的七配位硅仍然是一个悬而未决的问题，但在这里，我们的理论研究提供了它在高压下存在的证据。结合晶体结构预测方法和第一性原理计算允许预测一个稳定的SiO2 He化合物含有独特的SiO 7多面体，这是一个未知的配置在任何建议的二氧化硅相。因此，七配位SiO 7是高压下二氧化硅的可能形式。进一步的计算表明，SiO2 He相在超过607 GPa的压力和0-9000 K的温度范围内保持能量稳定，具有固体特征，涵盖了超级地球系外行星甚至太阳系冰巨行星的核幔边界的极端条件。我们的研究结果可能为高压下发现其他硅化物提供理论指导，促进行星核幔边界物质的探索，并使行星模型得以完善。
2021-07-07 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other
Elasticity, Stability and Ideal Strength of $β$-SiC in plane-wave-based ab initio calculations
本文基于赝势平面波（PP-PW）方法和局域密度泛函理论（LDFT），研究了$β$ -SiC复合材料在[001]和[111]方向均匀拉伸和单向拉伸、双向比例拉伸等不同加载方式下的力学行为、应力应变关系、稳定性和理想强度。计算了晶格常数、弹性常数和平衡态模量，结果与实验数据吻合较好。由于[111]、[ $\bar{1}$ 11]、[11 $\bar{1}$ ]和[1 $\bar{1}$ 1]方向上的四个Si-C键在沿[111]方向加载时并不相同，因此必须考虑内部弛豫和相应的内部位移。结果表明，在加载初期，滑移面和滑移面的内位移效应减小了四个Si C键长的差异，但在随后的加载过程中，这一差异将增大，导致裂纹在111滑移面形核，随后发生解理断裂。因此，相应的理论强度为50.8 GPa，这与最近的实验值53.4 GPa吻合得很好。然而，随着沿[001]加载，内部弛豫对于四轴对称性并不重要。计算了沿[001]方向单轴拉伸时的弹性常数。基于刚度系数的稳定性分析，我们发现Spinodal和Born不稳定性几乎是在同一应变下触发的，这与之前的分子动力学模拟一致。在双轴比例拉伸过程中，在相同的纵向应变下，应力和强度与双轴加载比成正比。
1998-12-08 cond-mat.mtrl-sci
First-Principles Calculations of the Electron-Hole-Pair Creation Energy in Semiconductors and Dielectrics
The University of Texas at Dallas（德克萨斯大学达拉斯分校）
该研究通过第一性原理计算结合全带蒙特卡罗模拟，得到AlN等5种材料的电子-空穴对产生能，采用GW/BSE方法可提升Si的计算精度，明确了产生能的决定因素。
2026-10-14 cond-mat.mtrl-sci physics.comp-ph
