摘 要

科技发展带给人们生产生活等多方面的提高。汽车电子产业随着汽车的迅速普及而呈现加速发展的趙势，汽车电子产业的发展及其在汽车上的应用程度决定了未来汽车工业的发展趋势。但是，目前汽车的性能和价格（性价比）仍然不能满足人们的需要。汽车电子产业的核心问题是芯片。高性能半导体器件的匮乏，已经开始制约我国汽车、高铁等领域高端装备的发展。汽车零部件的主要材料是提高其性能的重要因素，探索合适的应用材料对人们提高材料的相关性能具有重要的指导作用。金刚石材料因其优异的性能成为未来新兴的方向并获得人们的广泛关注。但是基于金刚石薄膜的制备目前仍未获得有效的结果。基于此，本文从第一性原理计算的角度从理论上分析金刚石薄膜的生长条件。探索掺杂条件下的金刚石薄膜所具有的优异性能。

第一性原理基于密度泛函理论求解材料中的电子形态，进而得到材料的相关性能。基于平面波方法和交换关联泛函理论，本文采用PWmat和Octopus软件进行理论计算，得到金刚石在不同掺杂条件（掺碳C和硼B元素）下的体系基态能带和能态分布，分析了掺杂对金刚石电子性质的影响。

超短激光作为处理改变材料结构的一种有效手段，目前被人们广泛应用。基于此，本文在计算金刚石能带体系的基础上，外加超短激光场对金刚石材料进行改进。同样，利用第一性原理计算方法，本文计算了在超短激光外场下金刚石的基态和能态密度分布。计算研究结果表明，通过成形激光场控制金刚石材料的电子和光学特性，可以有效修改宽带隙材料的介电性能。本文工作为人们在实验探索方面了提供依据。

关键词：金刚石；掺杂；第一性原理；密度泛函理论；电子性质

Abstract

The development of science and technology has brought many improvements in production and life. The electronics industry with the rapid popularization of the car has accelerated the development of automotive electronics industry and its application in automobile filed. It also determines the future trend of the automotive industry. However, at present, the performance and price (cost performance) of cars still cannot meet people's needs. The core of the automotive electronics industry is the chip. The lack of high-performance semiconductor devices has begun to restrict the development of high-end equipment in China's automobile, high-speed railway and other fields. The material of the main automobile parts is an important factor to improve its performance, and the exploration of suitable application materials has an important role to improve the relative performance of materials. Because of its excellent performance, diamond materials have become a new trend in future and have attracted wide attention. However, the preparation of diamond films has not obtained effective results. Based on this, in this paper, the growth conditions of diamond films are theoretically analyzed from the perspective of first-principle calculations. To explore the excellent properties of diamond films under doping conditions.

The first-principle calculations are based on density functional theory to solve the electronic form in the material, and then to obtain the related properties of the material. Based on the plane wave method and the exchange of associated functional theory, this paper adopts PWmat and Octopus software to get the diamond in different doping conditions (boron doped carbon C or B element) and take the distribution system under the ground. Then, the effect of doping on the electronic properties of diamond is analyzed.

Ultrashort laser is widely used as an effective means to change the material structure. Based on this, the diamond energy band system is calculated and the ultra-short laser field is added to improve the diamond materials. In the same way, the ground state and energy density distribution of diamond in ultra-short laser field are calculated by using the first principle method. The results show that the dielectric properties of wide band gap materials can be modified effectively by controlling the electronic and optical properties of diamond materials by forming laser field. This work provides people a guide to explore the work experimentally.

Key Words：diamond；doping；ab initio；density function structure; electronic property

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1汽车电子第三代半导体金刚石掺杂性能研究背景及意义 1

1.2金刚石的结构性质 2

1.3金刚石的性能研究 3

1.3.1金刚石的物理化学性质 3

1.3.2金刚石作为汽车电子用半导体材料的优异性能 4

1.4金刚石薄膜制备方法 5

1.4.1高温高压法（HTHP） 6

1.4.2化学气相沉积法（CVD） 7

1.5金刚石掺杂研究进展 9

1.6金刚石生长、掺杂和退火的微观机制研究进展 10

第2章 密度泛函理论 12

2.1第一性原理及密度泛函理论（DFT） 12

2.1.1 Hartree-Fock（HF）近似 13

2.1.2 Hohenberg-Kohn（HK）定理 14

2.1.3 Kohn-Sham（K-S）方程 14

2.2交换关联泛函 15

2.2.1局域密度近似（LDA） 15

2.2.2广义梯度近似（GGA） 16

2.3赝势方法 17

2.4计算软件 18

2.4.1 PWmat 18

2.4.2 Octopus 18

第3章 掺杂对金刚石电子/光学性质的影响分析 20

3.1固体能带理论 20

3.2晶体能带结构 21

3.3模型构建和计算方法 21

3.3.1建模与计算方法 21

3.3.2 PWmat计算脚本及分析 22

3.4结果与讨论 23

3.4.1结合能的计算与分析 23

3.4.2掺杂对金刚石电子性质的影响分析 24

第4章 超短激光对金刚石激发态介电性能的影响分析 27

4.1数学模型和计算方法 28

4.1.1建模与计算方法 28

4.1.2 Octopus计算脚本及分析 31

4.2结果与讨论 34

第5章 总结与展望 39

参考文献 40

致 谢 45

第1章 绪论

1.1汽车电子第三代半导体金刚石掺杂性能研究背景及意义

近年来，汽车技术、电子技术飞速发展（如图1.1所示），于此同时，大众消费者对汽车舒适度的也提出了更高的要求。当今的趋势即是汽车电子化、网络化和智能化。汽车电子产业随着汽车的迅速普及而呈现加速发展的趙势,汽车电子产业的发展及其在汽车上的应用程度决定了未来汽车工业的发展趋势。我国从20世纪90年代开始进行汽车电子产品的研发及产业化, 但由于起步较晚，基础薄弱,汽车电子产品发展落后于汽车整车的发展,产品和技术与国外差距较大 ,我国汽车电子产业仍处于起步发展阶段。

图1.1 汽车电子行业飞速发展
芯片是当今汽车电子产业的核心问题。在高性能半导体器件贸易上，西方国家从1949年起长期对华禁运，外资企业牢牢占据着国内汽车电子市场和技术的决定权。在大面积晶圆生长、半导体掺杂和退火等关键工艺上，包括日本、台湾等掌握先进技术的国家和地区，长期对华封锁。高性能半导体器件的匮乏，已经开始制约我国汽车、高铁等领域高端装备的发展。我国2006年成立的“02专项”，从此打开了高端半导体产业的新篇章。2016年7月国务院发布的《“十三五”国家科技创新规划》中，明确将第三代半导体产业和技术的发展确立为国家重大战略任务。未来，谁拥有高质量的芯，谁就能占据产业制高点。

金刚石是天生的半导体材料^[1]，仅由碳元素构成，自然界中非常丰富。最为重要的，如图1.2（a）所示，相比于传统的Si、第三代半导体翘楚GaN和号称上帝材料的SiC，金刚石拥有更大的禁带宽度（5.5eV），超高的击穿电场（5.6MV/cm），令人兴奋的热导率（2200W/mK），极高的电子迁移率（2000cm²/Vsec）和超低的介电常数（5.7）。禁带宽度越大，造成本征激发所需的温度就越高，极限工作温度越高。击穿电场越大（功率耐受性好）、热导率越高（散热越快）、电子迁移率越大和介电常数越低，极限输出功率和工作频率越高，如图1.2（b）所示。金刚石半导体器件优异的上限工作温度、输出功率和工作频率，使其成为未来先进汽车装备的首选。