MOCVD生長氮化鎵的KMC微觀模擬.pdf

1、分子動力學蒙特卡洛(KMC)是將蒙特卡洛(MC)算法以及分子動力學理論結合到一起的一種算法，其算法結構清晰簡單，尤其適合模擬大規(guī)模粒子的運動過程。從微觀的角度來研究GaN材料薄膜生長過程具有很重要的意義，因為新生長的薄膜表面形貌與生長初期島的形成過程有很大關系。若是能從原子級的角度來研究薄膜表面的生長過程，那么對改進材料生長所需的工藝設備以及改善生長環(huán)境都是具有非常重要的指導意義。本文中采用動力學蒙特卡洛(KMC)方法來模擬氮化鎵在MO

2、CVD條件下的生長過程，其優(yōu)點是能夠清晰的給出GaN表面生長的微觀過程。
　　基于實驗研究，本文對MOCVD生長GaN材料的反應路徑進行了深入的研究分析，并根據(jù)本文實際反應條件，給出了氣相反應模型和表面反應模型。
　　基于氣相反應模型和流體動力學(CFD)理論，采用CFD軟件-Fluent對GaN氣相反應過程進行了模擬，從而得到了各個氣相生成物在襯底表面的濃度大小。根據(jù)FLUENT的模擬結果，將氣相反應的主要產(chǎn)物單甲基鎵(G

3、aCH3-MMG)作為表面反應的主要反應前體。
　　基于GaN材料的MOCVD表面反應模型、MC方法和Fluent模擬結果，建立了MOCVD生長GaN材料的KMC模型。在該KMC模型中，根據(jù)GaN的實際晶格結構，構建了二維六邊形GaN襯底結構模型，并將襯底的邊界設為周期性的邊界，以此來避免邊界效應的發(fā)生。
　　根據(jù)所建立的KMC模型，在壓強為100torr，襯底溫度為1000-1500K的條件下，分別模擬出GaN材料在襯底溫

4、度為1073K、1173K、1273K、1373K和1473K這五個溫度節(jié)點的條件下，生長速率的變化情況，即GaN材料的生長速率并不是隨著襯底的溫度升高而不斷的增大，而是呈現(xiàn)一個先上升后下降的過程，這一現(xiàn)象與文獻報道的實驗結果相吻合。
　　論文給出了1273K、P=100torr下GaN材料表面三維形貌KMC模擬圖，可以看出，GaN薄膜在高溫條件下的生長模式近似為二維生長。
　　基于粗糙度的均方根理論，論文模擬了1073K、