硅基半导体光电子材料的第一性原理设计

具有特定功能的半导体材料的计算设计,是计算材料科学的一个重要研究领域.  由于半导体的诸多性质取决于价带顶和导带底的电子态及其中的载流子分布,因此带隙的大小和能带极值的对称性便成为半导体材料设计最受关注的问题.  为了进一步解决硅基光电子集成(OEIC)  技术发展的瓶颈,设计具有直接带隙特性的硅基新材料并使其成为有效的光发射体,是一项富有挑战性的工作.  本文在分析大量半导体能带结构的基础上,给出类s  p  系列半导体由间接带隙过渡到直接带隙的主要物理机制,并以对称性概念、芯态效应和电负性差效应为基础,提出一种新的直接带隙半导体材料设计方案.  根据这个方案所表达的设计思想,我们对当前十分受关注的硅基光发射材料进行了计算设计.  结果发现,用VI  族元素在硅生长时进行周期性插层的、具有正交和四角点群对称性的人工微结构材料VIA  /  Sim/  VIB  /  Sim/  VIA  具有直接带隙特性.  其中当m  =  5  或奇数时,材料有四角结构对称性,而m  =  6  或偶数时是正交结构对称性.  VIA(B)  是在<  001  >  生长方向生长的单层VI  族元素.  这类材料的优点在于可自然地与硅实现晶格匹配,与微电子技术相兼容,并可较容易的用现行的MBE、MOCVD  或U  HV2CVD  生长方法实现.  预期这类新材料及其相应器件的研制开发,将大大开拓全硅OEIC  和硅光子集成(PIC)  技术的进一步发展.关键词:  硅基材料;直接带隙;对称性;材料设计