MOCVD生長(zhǎng)氮化鎵的KMC微觀模擬.pdf

1、分子動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛(KMC)是將蒙特卡洛(MC)算法以及分子動(dòng)力學(xué)理論結(jié)合到一起的一種算法，其算法結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單，尤其適合模擬大規(guī)模粒子的運(yùn)動(dòng)過程。從微觀的角度來研究GaN材料薄膜生長(zhǎng)過程具有很重要的意義，因?yàn)樾律L(zhǎng)的薄膜表面形貌與生長(zhǎng)初期島的形成過程有很大關(guān)系。若是能從原子級(jí)的角度來研究薄膜表面的生長(zhǎng)過程，那么對(duì)改進(jìn)材料生長(zhǎng)所需的工藝設(shè)備以及改善生長(zhǎng)環(huán)境都是具有非常重要的指導(dǎo)意義。本文中采用動(dòng)力學(xué)蒙特卡洛(KMC)方法來模擬氮化鎵在MO

2、CVD條件下的生長(zhǎng)過程，其優(yōu)點(diǎn)是能夠清晰的給出GaN表面生長(zhǎng)的微觀過程。
　　基于實(shí)驗(yàn)研究，本文對(duì)MOCVD生長(zhǎng)GaN材料的反應(yīng)路徑進(jìn)行了深入的研究分析，并根據(jù)本文實(shí)際反應(yīng)條件，給出了氣相反應(yīng)模型和表面反應(yīng)模型。
　　基于氣相反應(yīng)模型和流體動(dòng)力學(xué)(CFD)理論，采用CFD軟件-Fluent對(duì)GaN氣相反應(yīng)過程進(jìn)行了模擬，從而得到了各個(gè)氣相生成物在襯底表面的濃度大小。根據(jù)FLUENT的模擬結(jié)果，將氣相反應(yīng)的主要產(chǎn)物單甲基鎵(G

3、aCH3-MMG)作為表面反應(yīng)的主要反應(yīng)前體。
　　基于GaN材料的MOCVD表面反應(yīng)模型、MC方法和Fluent模擬結(jié)果，建立了MOCVD生長(zhǎng)GaN材料的KMC模型。在該KMC模型中，根據(jù)GaN的實(shí)際晶格結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了二維六邊形GaN襯底結(jié)構(gòu)模型，并將襯底的邊界設(shè)為周期性的邊界，以此來避免邊界效應(yīng)的發(fā)生。
　　根據(jù)所建立的KMC模型，在壓強(qiáng)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(gè)溫度節(jié)點(diǎn)的條件下，生長(zhǎng)速率的變化情況，即GaN材料的生長(zhǎng)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(gè)先上升后下降的過程，這一現(xiàn)象與文獻(xiàn)報(bào)道的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(zhǎng)模式近似為二維生長(zhǎng)。
　　基于粗糙度的均方根理論，論文模擬了1073K、