本發(fā)明主要涉及半導(dǎo)體材料性能分析，具體為基于第一性原理對變溫半導(dǎo)體器件中sic電學(xué)特性分析方法。

背景技術(shù)：

1、隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，特別是在5g通信、大功率電力電子等領(lǐng)域，對半導(dǎo)體材料的性能提出了更高要求。sic作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表，因其寬帶隙、高臨界擊穿電場、高電子飽和漂移速度等優(yōu)異特性，在電子功率器件、陶瓷材料等方面展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，在以5g通信為代表的新一代信息技術(shù)中，相比以往成倍增長的高密度熱流的散熱問題愈加突出。sic材料在實際使用過程中，溫度對其電學(xué)性能的影響尚不明確，這限制了其在高溫環(huán)境下的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明技術(shù)方案針對現(xiàn)有技術(shù)解決方案過于單一的技術(shù)問題，提供了顯著不同于現(xiàn)有技術(shù)的解決方案，主要提供了基于第一性原理對變溫半導(dǎo)體器件中sic電學(xué)特性分析方法，用以解決上述背景技術(shù)中提出的sic材料在實際使用過程中，溫度對其電學(xué)性能的影響尚不明確的技術(shù)問題。

2、本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：

3、基于第一性原理對變溫半導(dǎo)體器件中sic電學(xué)特性分析方法，包括如下步驟：

4、s1、設(shè)定參數(shù)和建立模型；

5、s2、模擬sic在不同溫度下的晶格畸變，并計算內(nèi)聚能評估穩(wěn)定性；

6、s3、分析晶格畸變對sic態(tài)密度和電荷密度的影響；

7、s4、模擬sic中硅缺陷和碳缺陷的生成，并計算其對sic內(nèi)聚能、態(tài)密度和電荷密度的影響；

8、s5、評估sic在變溫環(huán)境下的電學(xué)性能變化規(guī)律。

9、具體地，步驟s1中，參數(shù)設(shè)定包括：動能截斷設(shè)置為450ev；能量收斂標準為兩個電子步之間的能量差值小于10-5ev；結(jié)構(gòu)優(yōu)化時兩個離子步間的海爾曼費曼力殘留小于0.02ev/?；溫度展寬設(shè)置為0.1ev；結(jié)構(gòu)優(yōu)化時使用5×5×3的gamma-centered?k點，計算態(tài)密度時使用7×7×5的gamma-centered?k點。

10、具體地，使用維也納從頭算仿真軟件包進行dft計算。

11、具體地，步驟s2中，設(shè)立晶格收縮30%至擴張30%的形變，每5%為一檔來模擬由于較寬范圍內(nèi)溫度變化產(chǎn)生的晶格畸變，分析態(tài)密度和帶隙變化。

12、具體地，步驟s2中，計算統(tǒng)計各檔晶格畸變sic在不同方向產(chǎn)生晶格畸變時內(nèi)聚能變化，確定在不同方向產(chǎn)生晶格畸變條件下發(fā)生穩(wěn)定形變量的晶格畸變檔次范圍。

13、具體地，步驟s3中，計算不同方向共同發(fā)生形變時的態(tài)密度和電荷密度，分析自旋向上與自旋向下的對稱性和帶隙變化。

14、具體地，步驟s3中，計算不同方向分別發(fā)生形變時的態(tài)密度和電荷密度，探究畸變對材料的態(tài)密度影響最大的方向。

15、具體地，步驟s4中，統(tǒng)計在不同形變量下sic及其各層分別引入硅缺陷和碳缺陷的內(nèi)聚能，分析對材料的穩(wěn)定性影響更大的元素和溫度環(huán)境。

16、具體地，步驟s4中，計算晶格發(fā)生形變時，sic及其各層在不同缺陷下的電荷密度和態(tài)密度，分析自旋向上與自旋向下的對稱性和帶隙變化。

17、具體地，步驟s5中，電學(xué)性能分析包括評估sic的帶隙變化、電子結(jié)構(gòu)變化以及導(dǎo)電性能的變化。

18、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為：

19、（1）本發(fā)明提供了一種基于第一性原理的sic電學(xué)特性分析方法，能夠系統(tǒng)地研究sic在不同溫度下的晶格畸變和原子缺陷對其電學(xué)性能的影響；通過理論計算和模擬，揭示了sic在變溫環(huán)境下的電學(xué)性能變化規(guī)律，為sic在高溫、高密度熱流環(huán)境下的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

20、（2）本發(fā)明首次在sic溫度變化條件中使用vasp軟件，它是一種高度精確的第一性原理計算工具；且設(shè)置了與晶胞和材料類型匹配的計算參數(shù)，如動能截斷、能量收斂標準等，以確保計算的準確性、收斂性和可靠性，為研究提供了堅實的基礎(chǔ)。參數(shù)的選擇使得計算既不過于復(fù)雜也不過于簡化，平衡了計算效率和精度。

21、（3）本發(fā)明采用了合適的k點網(wǎng)格，確保了電子結(jié)構(gòu)的準確描述；通過內(nèi)聚能的變化評估材料的穩(wěn)定性，這是一種有效的指標；分析了不同形變條件下態(tài)密度和電荷密度的變化，是評價電學(xué)性能的關(guān)鍵參數(shù)；考慮了自旋極化參數(shù)的影響，對于理解材料在不同溫度下的行為至關(guān)重要。最終使得本方法的模擬結(jié)果可靠。

22、（4）本發(fā)明首次使用第一性原理來對碳化硅的溫度參數(shù)與性能關(guān)系進行理論計算工作，與其他實驗性工作不同，vasp計算工具是利用詳細的物理邏輯和公式進行的精準計算，而不是從實驗中得到的宏觀觀測結(jié)果而總結(jié)的規(guī)律，這也使得本發(fā)明中所考量的因素，即晶格畸變和原子缺陷的影響是同類型實驗工作中無法探究的微觀角度，無法直觀地從實驗結(jié)果中獲得總結(jié)。本發(fā)明同時考察二者對電學(xué)性能的影響，提出了一種全新的高效、便捷、低成本的sic器件性能分析方法，這種綜合分析方法更為全面，可以為同類型的實驗工作提供堅實的理論基礎(chǔ)。大大降低了實驗中的試錯成本，提高了結(jié)果可靠性。

23、（5）本發(fā)明在分析過程中，通過對不同形變范圍的系統(tǒng)研究，確定了材料性能最佳的形變范圍，填補了現(xiàn)有相關(guān)研究中的空白。

24、（6）本發(fā)明不僅研究了缺陷本身的影響，還探討了材料不同層位引入缺陷的效果差異，這對實際應(yīng)用具有重要意義。

25、（7）傳統(tǒng)上，人們往往認為晶格畸變和原子缺陷單獨對材料性能的影響已足夠了解，但本發(fā)明強調(diào)了兩者結(jié)合的重要性，打破了這種偏見。同時，通過系統(tǒng)的理論計算和模擬，本發(fā)明克服了在不同溫度下準確預(yù)測sic電學(xué)性能變化的技術(shù)難題，為實際應(yīng)用提供了堅實的理論基礎(chǔ)。

26、以下將結(jié)合附圖與具體的實施例對本發(fā)明進行詳細的解釋說明。

技術(shù)特征：

1.基于第一性原理對變溫半導(dǎo)體器件中sic電學(xué)特性分析方法，其特征在于：包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理對變溫半導(dǎo)體器件中sic電學(xué)特性分析方法，其特征在于：步驟s1中，參數(shù)設(shè)定包括：動能截斷設(shè)置為450ev；能量收斂標準為兩個電子步之間的能量差值小于10-5ev；結(jié)構(gòu)優(yōu)化時兩個離子步間的海爾曼費曼力殘留小于0.02ev/?；溫度展寬設(shè)置為0.1ev；結(jié)構(gòu)優(yōu)化時使用5×5×3的gamma-centered?k點，計算態(tài)密度時使用7×7×5的gamma-centered?k點。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理對變溫半導(dǎo)體器件中sic電學(xué)特性分析方法，其特征在于：使用維也納從頭算仿真軟件包進行dft計算。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理對變溫半導(dǎo)體器件中sic電學(xué)特性分析方法，其特征在于：步驟s2中，設(shè)立晶格收縮30%至擴張30%的形變，每5%為一檔來模擬由于較寬范圍內(nèi)溫度變化產(chǎn)生的晶格畸變，分析態(tài)密度和帶隙變化。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于第一性原理對變溫半導(dǎo)體器件中sic電學(xué)特性分析方法，其特征在于：步驟s2中，計算統(tǒng)計各檔晶格畸變sic在不同方向產(chǎn)生晶格畸變時內(nèi)聚能變化，確定在不同方向產(chǎn)生晶格畸變條件下發(fā)生穩(wěn)定形變量的晶格畸變檔次范圍。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理對變溫半導(dǎo)體器件中sic電學(xué)特性分析方法，其特征在于：步驟s3中，計算不同方向共同發(fā)生形變時的態(tài)密度和電荷密度，以分析自旋向上與自旋向下的對稱性和帶隙變化。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于第一性原理對變溫半導(dǎo)體器件中sic電學(xué)特性分析方法，其特征在于：步驟s3中，計算不同方向分別發(fā)生形變時的態(tài)密度和電荷密度，探究畸變對材料的態(tài)密度影響最大的方向。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理對變溫半導(dǎo)體器件中sic電學(xué)特性分析方法，其特征在于：步驟s4中，統(tǒng)計在不同形變量下sic及其各層分別引入硅缺陷和碳缺陷的內(nèi)聚能，分析對材料的穩(wěn)定性影響更大的元素和溫度環(huán)境。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理對變溫半導(dǎo)體器件中sic電學(xué)特性分析方法，其特征在于：步驟s4中，計算晶格發(fā)生形變時，sic及其各層在不同缺陷下的電荷密度和態(tài)密度，分析自旋向上與自旋向下的對稱性和帶隙變化。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于第一性原理對變溫半導(dǎo)體器件中sic電學(xué)特性分析方法，其特征在于：步驟s5中，電學(xué)性能分析包括評估sic的帶隙變化、電子結(jié)構(gòu)變化以及導(dǎo)電性能的變化。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了基于第一性原理對變溫半導(dǎo)體器件中SiC電學(xué)特性分析方法，屬于半導(dǎo)體材料性能分析技術(shù)領(lǐng)域，包括：設(shè)定參數(shù)和建立模型；模擬SiC在不同溫度下的晶格畸變，并計算內(nèi)聚能評估穩(wěn)定性；分析晶格畸變對SiC態(tài)密度和電荷密度的影響；模擬SiC中硅缺陷和碳缺陷的生成，并計算其對SiC內(nèi)聚能、態(tài)密度和電荷密度的影響；評估SiC在變溫環(huán)境下的電學(xué)性能變化規(guī)律。本發(fā)明能夠系統(tǒng)地研究SiC在不同溫度下的晶格畸變和原子缺陷對其電學(xué)性能的影響，揭示了SiC在變溫環(huán)境下的電學(xué)性能變化規(guī)律，為SiC在高溫、高密度熱流環(huán)境下的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

技術(shù)研發(fā)人員：李順,佟立凱,彭士濤,齊兆宇,于迅,鄧孟濤,肖令
受保護的技術(shù)使用者：交通運輸部天津水運工程科學(xué)研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9