GaAs基InSb薄膜異質外延生長的模擬方法
2023-12-03 20:44:51 1
專利名稱：GaAs基InSb薄膜異質外延生長的模擬方法
技術領域：
本發明涉及的是InSb薄膜外延生長過程及製備工藝的技術領域。
背景技術：
廣泛應用於製作霍爾器件和光電探測器的InSb薄膜的質量是決定器件性能的關鍵，現有InSb薄膜的製備方法包括真空蒸鍍法、磁控濺射法、化學氣相沉積法與分子束外延法，其中尤以分子束外延法最易獲得高質量的外延薄膜。但是，該方法生長速率慢、成本高，對於外延生長工藝的調整和優化帶來了很大困難。
發明內容
它是為了克服現有常規的實際製備InSb薄膜的方法(真空蒸鍍法、磁控濺射法、化學氣相沉積法與分子束外延法)，存在生長速率慢、成本高，及不宜對外延生長工藝做大量調整和實時優化的問題，進而提出了一種GaAs基InSb薄膜異質外延生長的模擬方法；本發明的模擬方法步驟為一、設定襯底的大小為L×L格點的區域，初始化一個L×L的二維矩陣(矩陣或數組的元素賦值為零)，用於記錄每個格點處原子高度，輸入襯底原子與薄膜原子的晶格常數與結合能，用Lennard-Jones勢函數計算勢能，計算薄膜原子沉積後的遷移速率；二、建立薄膜生長過程的模型，確定薄膜生長過程中發生的微觀事件，這些事件包括(1)、原子的沉積；(2)、受襯底影響的第1層薄膜原子在襯底上的遷移；(3)、第n(n＞1)層原子在下層原子上的遷移；(4)、各層原子向上層或向下層的層間遷移；三、事件的選取與時間的演化，計算各事件的發生概率，通過系統生成的隨機數選定事件的發生，用不同事件發生造成的原子沉積與遷移模擬薄膜的生長；四、採用C++高級語言編制軟體進行模擬計算，輸出記錄每個格點處原子個數的二維矩陣值，或直接輸出二維圖像，不同的原子層用不同的顏色來區別；五、選取部分連續的模擬區域原子個數結果輸入到MATLAB工程軟體中，輸出三維圖像。
本發明能實現薄膜外延生長初期的島狀生長過程的全程模擬，能預測薄膜的表面結構，而指導工藝參數的調整和優化，並具有工藝簡單、省時、清晰、實用的優點。同時本方法還適用於其它異質外延薄膜體系的生長過程的模擬，如Ge0.5Si0.5在Si襯底上生長過程的模擬，及同質外延薄膜體系的生長過程的模擬，如GaAs在GaAs襯底上生長過程的模擬。
圖1是本發明的模擬方法步驟流程圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一本實施方式的模擬方法步驟為一、設定襯底的大小為L×L格點的區域，初始化一個L×L的二維矩陣(矩陣或數組的元素賦值為零)，用於記錄每個格點處原子高度，輸入襯底原子與薄膜原子的晶格常數與結合能，用Lennard-Jones勢函數計算勢能，計算薄膜原子沉積後的遷移速率；所述步驟一中薄膜原子與下層原子正對為穩定位置，處於下層原子的邊界處為不穩定位置，穩定與不穩定位置勢能不同，勢能由Lennard-Jones勢函數計算出U(r)=4Uk[(r)12-(r)6]]]>r為原子間距離；σ為原子間平衡距離，在模擬中通過晶格常數a=216]]>計算；Uk為同一層近鄰原子間的結合能；k＝1時代表襯底原子；k＝2時代表薄膜原子；k＝1、2代表襯底原子與薄膜原子之間的相互作用；襯底GaAs原子間的結合能設為U1，晶格常數a1；薄膜原子間的結合能設為U2，晶格常數a2；襯底原子與薄膜原子間的結合能簡化為U12=U1U2,]]>襯底原子與薄膜原子間的平衡距離由a12=a1+a22]]>計算出；原子在遷移過程中從模擬區域的格點穩定位置到不穩定位置需要克服勢壘Ek；勢壘Ek則是處在穩定位置與不穩定位置之間的勢能差；第1層原子需要克服的勢壘E12由U12計算得到；第一層原子遷移的總激活能為Eact1＝E12+m U2，第二層及其以上的原子遷移的總激活能為Eactn＝E2+m U2；立方晶格中m為近鄰數取0～4；薄膜原子沉積後將要發生遷移，遷移速率取決於它受到的鍵合強度，速率由Arrhenius方程計算，kB和h分別為波爾茲曼常數和普朗克常數km=k0exp(-EactkBT),k0=2kBTh]]>對於選中原子的遷移，採取原子隨機遊走的方式在可以遷移的位置移動，原子優先向近鄰數多的位置遷移，考慮遷移的各向異性，發生橫向與縱向的遷移概率不同；最大遷移距離為模擬區域的一半，採用周期性邊界條件，即原子運動到邊界後從相對的另一邊界再次進入模擬區域。
二、建立薄膜生長過程的模型，確定薄膜生長過程中發生的微觀事件原子的沉積；受襯底影響的第1層薄膜原子在襯底上的遷移；第n(n＞1)層原子在下層原子上的遷移；各層原子向上層或向下層的層間遷移；三、事件的選取與時間的演化，計算各事件的發生概率，通過系統生成的隨機數選定事件的發生，用不同事件發生造成的原子沉積與遷移模擬薄膜的生長；所述步驟三中各事件的選擇方法為(1)、按近鄰原子個數m統計各層n中各類原子個數N，計算各類原子遷移的事件數kmnNmn，k代表具有相同近鄰原子數的一類原子的遷移速率；計算沉積的事件數FL2，F代表沉積速率，L代表襯底格點數；隨後計算總的事件數RtotRtot=FL2+1nm=04kmnNmn]]>(2)、計算沉積事件的概率Pdep=FL2Rtot]]>(3)、計算各層內不同近鄰原子數的原子的遷移事件的概率，由於受襯底的影響，第1層原子的遷移概率單獨計算Pm1=km1Nm1Rtot,Pmn=2nm=04kmnNmnRtot]]>(4)、根據(2)(3)中不同的各類事件將
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]]>r為原子間距離；σ為原子間平衡距離，在模擬中通過晶格常數a=216]]>計算；Uk為同一層近鄰原子間的結合能；k＝1時代表襯底原子；k＝2時代表薄膜原子；k＝1、2代表襯底原子與薄膜原子之間的相互作用；襯底GaAs原子間的結合能設為U1，晶格常數a1；薄膜原子間的結合能設為U2，晶格常數a2；襯底原子與薄膜原子間的結合能簡化為U12=U1U2,]]>襯底原子與薄膜原子間的平衡距離由a12=a1+a22]]>計算出；原子在遷移過程中從模擬區域的格點穩定位置到不穩定位置需要克服勢壘Ek；勢壘Ek則是處在穩定位置與不穩定位置之間的勢能差；第1層原子需要克服的勢壘E12由U12計算得到；第一層原子遷移的總激活能為Eact1＝E12+mU2，第二層及其以上的原子遷移的總激活能為Eactn＝E2+mU2；立方晶格中m為近鄰數取0～4；薄膜原子沉積後將要發生遷移，遷移速率取決於它受到的鍵合強度，速率由Arrhenius方程計算，kB和h分別為波爾茲曼常數和普朗克常數km=k0exp(-EactkBT),k0=2kBTh]]>對於選中原子的遷移，採取原子隨機遊走的方式在可以遷移的位置移動，原子優先向近鄰數多的位置遷移，考慮遷移的各向異性，發生橫向與縱向的遷移概率不同；最大遷移距離為模擬區域的一半，採用周期性邊界條件，即原子運動到邊界後從相對的另一邊界再次進入模擬區域。
3.根據權利要求1所述的GaAs基InSb薄膜異質外延生長的模擬方法，其特徵在於模擬步驟三中，各事件的選擇方法為(1)、按近鄰原子個數m統計各層n中各類原子個數N，計算各類原子遷移的事件數kmnNmn，k代表具有相同近鄰原子數的一類原子的遷移速率；計算沉積的事件數FL2，F代表沉積速率，L代表襯底格點數；隨後計算總的事件數RtotRtot=FL2+1nm=04kmnNmn]]>(2)、計算沉積事件的概率Pdep=FL2Rtot]]>(3)、計算各層內不同近鄰原子數的原子的遷移事件的概率，由於受襯底的影響，第1層原子的遷移概率單獨計算Pm1=km1Nm1Rtot,Pmn=2nm=04kmnNmnRtot]]>(4)、根據(2)(3)中不同的各類事件將
]>增加，r3[0，1)為系統生成的0，1之間均勻分布的隨機數；(8)、重複(1)～(7)步驟，根據設定程序終止條件跳出循環。
4.根據權利要求1、2或3所述的GaAs基InSb薄膜異質外延生長的模擬方法，其特徵在於設襯底為GaAs材質，設其大小為L＝200～500格點×L＝200～500格點，設薄膜為InSb材質，InSb在GaAs襯底上初期生長溫度T設為300℃～460℃，沉積速率F設為0.15ML/s～0.9ML/s。
5.根據權利要求4所述的GaAs基InSb薄膜異質外延生長的模擬方法，其特徵在於襯底大小設為L＝200格點×L＝200格點，InSb在GaAs襯底上初期生長溫度T設為330℃，沉積速率F設為0.2ML/s。
6.根據權利要求4所述的GaAs基InSb薄膜異質外延生長的模擬方法，其特徵在於襯底大小設為L＝200格點×L＝200格點，InSb在GaAs襯底上初期生長溫度T設為410℃，沉積速率F設為0.7ML/s。
7.根據權利要求4所述的GaAs基InSb薄膜異質外延生長的模擬方法，其特徵在於襯底大小設為L＝400格點×L＝400格點，InSb在GaAs襯底上初期生長溫度T設為380℃，沉積速率F設為0.5ML/s。
全文摘要
GaAs基InSb薄膜異質外延生長的模擬方法，它涉及的是InSb薄膜外延生長過程及製備工藝的技術領域。它是為了克服現有方法，存在生長速率慢、成本高，及不宜對外延生長工藝做大量調整和實時優化的問題。它的模擬方法步驟為(一)初始化一個L×L的二維矩陣，記錄每個格點處原子高度，輸入襯底原子與薄膜原子的晶格常數與結合能；(二)建立薄膜生長過程的模型，確定薄膜生長過程中發生的微觀事件；(三)事件的選取與時間的演化，計算各事件的發生概率；(四)採用C++高級語言編制軟體進行模擬計算；(五)把結果輸入到MATLAB工程軟體中，輸出三維圖像。本發明能實現薄膜外延生長初期的島狀生長過程的全程模擬，能預測薄膜的表面結構，而指導工藝參數的調整和優化。
文檔編號C30B25/02GK1908252SQ20061001031
公開日2007年2月7日 申請日期2006年7月24日 優先權日2006年7月24日
發明者李美成, 熊敏, 王洪磊 申請人:哈爾濱工業大學