一种生长氮化镓薄膜的降低位错密度的方法及系统与流程

本发明属于氮化镓薄膜领域，更具体地，涉及一种基于图形衬底技术生长氮化镓薄膜的降低位错密度的方法及系统。

背景技术：

氮化镓材料具有禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和速率高及抗辐射能力强等优点，被广泛用于制作各种高温高频、抗辐射及大功率器件。氮化镓的禁带宽度高达eg＝3.4ev，所以特别适合制作蓝光、绿光和紫外光的发光器件，如蓝光发光二极管。目前生长氮化镓薄膜的为金属有机物化学气相沉积方法，然而氮化镓材料与衬底之间的晶格失配与热失配会导致生成的氮化镓薄膜材料中包含大量的穿透位错等缺陷，这些缺陷会大大降低氮化镓器件的电导率、发光率等。在气相沉积过程中将气相物质沉积在图形衬底上可以降低氮化镓薄膜中的位错密度，这对实现氮化镓材料在高温高频、抗辐射、大功率器件领域有着重大科学意义。

目前在生长氮化镓薄膜中广泛采用的图形衬底类型有锥形衬底、矩形衬底及半圆形衬底等，尽管在少量的实验中通过扫描电镜等手段观测到位错线弯曲，进而导致位错线相遇或折向图形衬底而湮灭。目前测量穿透位错的方法基本是通过刻蚀法等实验方法先对穿透位错位点进行定位，然后通过扫描电镜观测并对位错位点数进行统计，这种直观的实验方法需消耗大量的人力财力，难以快速的得到较优化的操作条件，如温度、压强、衬底类型等。因此研究不同参数下位错密度的变化对改善氮化镓薄膜的光、电学性能、提高其工业价值有着重要的意义。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种生长氮化镓薄膜的降低位错密度的方法及系统，由此解决目前氮化镓薄膜中位错密度影响其光、电学性能的技术问题，在此基础之上，进一步计算出低位错密度氮化镓薄膜的优化参数温度、压强及衬底类型等。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种生长氮化镓薄膜的降低位错密度的方法，包括：

s1:先建立含位错的氮化镓薄膜晶体的(0001)面的图形衬底模型，然后沿所述氮化镓薄膜晶体的(10-10)面切割半层氮化镓原子层，切割到氮化镓晶面(1-210)时即可形成两种类型位错；

s2:根据爬坡弹性带理论，计算所述图形衬底模型的(0001)表面所有原子的扩散活化能；

s3:将步骤s2中计算的活化能数据储存在活化能数据库中，并引进矩阵表征局部晶格结构对活化能的影响；

s4:根据过渡状态理论，通过所述活化能数据库，运用所述矩阵计算表面原子运动的传输速率，将所述传输速率作为输入条件，通过动力学蒙特卡洛方法模拟不同温度、不同压强及不同衬底类型条件下薄膜生长过程中位错的演化；

s5:根据步骤s4模拟出的位错动力学演化形态，计算位错密度，从而根据所述位错密度获得不同温度、不同压强及不同衬底类型下位错密度关系，进而得到优化的输入条件。

优选地，所述含位错的氮化镓薄膜的(0001)面的图形衬底模型，上层为真空层，下层为氮化镓层，所述氮化镓层中的氮化镓厚度为实际生长过程中的每层厚度。

优选地，所述氮化镓薄膜的(0001)面为生长氮化镓薄膜的沉积方向，且在切割半原子面时，由于切割氮-镓的面不同，会形成滑移型和拖拽型两种刃型位错。

优选地，步骤s2包括：

对所构建的所述图形衬底模型增加表面吸附原子、空位原子、台阶结构及扭折结构，基于爬坡弹性带理论，通过lammps软件计算表面吸附原子的第一邻近扩散活化能、第二邻近扩散活化能、表面原子的空位扩散活化能和位错原子的扩散活化能。

优选地，步骤s3包括：

记录步骤s2中的扩散类型和各类型对应的扩散活化能，引进矩阵将扩散类型根据局部晶格结构进行划分。

优选地，步骤s4包括：

s4.1：通过步骤s3计算出的活化能，计算不同扩散类型的传输速率，将所述传输速率作为动力学蒙特卡洛的输入条件，将氮化镓薄膜沉积过程中的气相原子及位错原子的运动方向通过相应的传输速率大小决定；

s4.2：以不同温度、不同压强及不同衬底类型作为输入参数，模拟出这些条件下氮化镓薄膜表面形态的演变以及位错原子的演化，输出所有原子的原子坐标和原子类型。

优选地，步骤s5包括：

绘制步骤s4中输出的原子坐标及原子类型，得到薄膜形态的可视化图形，计算位错线弯曲后湮灭的条数，从而统计出不同温度、不同压力和不同衬底类型下的位错密度。

按照本发明的另一方面，提供了一种生长氮化镓薄膜的降低位错密度的系统，包括：

模型构建单元，用于先建立含位错的氮化镓薄膜晶体的(0001)面的图形衬底模型，然后沿所述氮化镓薄膜晶体的(10-10)面切割半层氮化镓原子层，切割到氮化镓晶面(1-210)时即可形成两种类型位错；

计算单元，用于根据爬坡弹性带理论，计算所述图形衬底模型的(0001)表面所有原子的扩散活化能；

划分单元，用于将所述计算单元计算的活化能数据储存在活化能数据库中，并引进矩阵表征局部晶格结构对活化能的影响；

模拟单元，用于根据过渡状态理论，通过所述活化能数据库，运用所述矩阵计算表面原子运动的传输速率，将所述传输速率作为输入条件，通过动力学蒙特卡洛方法模拟不同温度、不同压强及不同衬底类型条件下薄膜生长过程中位错的演化；

优化单元，用于根据所述模拟单元模拟出的位错动力学演化形态，计算位错密度，从而根据所述位错密度获得不同温度、不同压强及不同衬底类型下位错密度关系，进而得到优化的输入条件。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明研究基于图形衬底技术生长氮化镓薄膜的降低位错密度的方式，通过分子动力学和动力学蒙特卡洛的手段，对不同温度、不同压强及不同衬底类型下氮化镓薄膜生长状态进行模拟，计算位错线弯曲后位错密度，为降低位错密度，改善氮化镓材料光电性能提高了有效方式。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种基于图形衬底技术生长氮化镓薄膜的降低位错密度的方法的流程示意图；

图2(a)为本发明实施例提供的一种表面原子扩散过程示意图；

图2(b)为本发明实施例提供的一种表面原子扩散过程的活化能。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

通过图形衬底技术降低氮化镓薄膜中的位错密度，提高氮化镓器件的光电性能有着重要的工业意义。因此设计基于图形衬底技术生长氮化镓薄膜的降低位错密度的方法，如图1所示，本发明实例提供一种基于图形衬底技术生长氮化镓薄膜的降低位错密度的方法，根据爬坡弹性带理论和过渡状态理论，对氮化镓薄膜生长过程中原子扩散行为等进行分子动力学和动力学蒙特卡洛计算，模拟出不同衬底模型下原子表面扩散过程，得到扩散活化能矩阵，在以此为输入条件模拟不同温度、不同压强下薄膜形态、位错线的演化，在此基础之上，进一步提出了基于图形衬底技术生长氮化镓薄膜的降低位错密度的方法，该方法包括以下步骤：

s1:先建立含位错的氮化镓薄膜晶体的(0001)面的图形衬底模型，然后沿所述氮化镓薄膜晶体的(10-10)面切割半层氮化镓原子层，切割到氮化镓晶面(1-210)时即可形成两种类型位错；

s2:根据爬坡弹性带理论，计算氮化镓薄膜面的图形衬底模型表面所有原子扩散活化能；

其中，所有原子扩散活化能包括表面第一邻近原子、第二邻近原子、空位原子及位错原子扩散活化能等。

s3:将s2计算的活化能数据储存在活化能数据库中，并引进矩阵表征局部晶格结构对活化能的影响；

s4:根据过渡状态理论，通过s3活化能数据库，运用矩阵计算表面原子运动的传输速率，将传输速率作为输入条件，通过动力学蒙特卡洛方法模拟不同温度、不同压强及不同衬底类型条件下薄膜生长过程中位错的演化；

s5:根据s4模拟出的位错动力学演化形态，计算位错密度，从而获得不同温度、不同压强及不同衬底类型下位错密度关系，进而得到优化的输入条件。

进一步地，在s1步骤中，含位错的氮化镓(0001)面的图形衬底模型通过atomsk构建，选用的氮化镓结构为纤锌矿结构。构建的模型上层为真空层，下层为氮化镓层，氮化镓厚度为实际生长过程中的每层厚度。(0001)面为通过金属有机物化学气相沉积方法生长氮化镓薄膜的沉积方向，在切割半原子面时，在本实例中切割面方向为氮化镓的m面，由于切割氮-镓的面不同，会形成滑移型和拖拽型两种刃型位错，本实例两种位错类型均考虑。

进一步地，在s2步骤中，在所构建的(0001)衬底模型表面增加单原子表面吸附原子、单空位原子、台阶结构及扭折结构等，台阶厚度和扭折宽度均为一个晶格常数(即纤锌矿结构氮化镓中的a值)。基于爬坡弹性带理论，原子的扩散过程可以通过弹簧连接临近两次极小时间内的扩散原子，这可以通过lammps软件计算，在本发明示例中，计算了表面吸附原子的第一邻近扩散活化能、第二邻近扩散活化能，表面原子的空位扩散活化能和位错原子的扩散活化能。如图2(a)所示为表面原子的第二邻近扩散过程，其扩散活化能与扩散相对路径如图2(b)中的曲线1所示，位错原子的第二邻近扩散如图2(b)中的曲线2所示。其扩散活化能由扩散前的能量e1和扩散势垒emax决定，即扩散活化能表示为δe＝emax-e1。

进一步地，在s3步骤中，记录步骤s2的扩散类型和相应的扩散活化能，引进矩阵将扩散类型根据局部晶格结构进行划分。在本发明实施例中，采用3×3×3的矩阵表征局部晶格结构对活化能的影响，扩散的活化能也储存在矩阵中，这样在后续计算中通过矩阵的快速计算提高模拟效率，具体采用多大的矩阵可以根据实际需要确定，本发明实施例不做唯一性限定。

进一步地，在s4步骤中，根据过渡状态理论，原子的跃迁行为可以通过其跃迁的传输速率表示，而传输速率可以通过其扩散活化能计算。传输速率可以表示为k＝ν0exp(-δe/kbt)，其中，ν0为尝试频率，kb为玻尔兹曼常数，t为温度。通过s3计算出的活化能，计算不同扩散类型的传输速率，将传输速率作为动力学蒙特卡洛的输入条件，将氮化镓薄膜沉积过程中气相原子、位错原子的运动方向通过相应的传输速率大小决定。以温度、压强及衬底类型作为输入参数，模拟出这些条件下氮化镓薄膜表面形态的演变以及位错原子的演化。输出所有原子的原子坐标和原子类型。该动力学蒙特卡洛算法通过c++或者fortran语言实现，方便在不同平台快速运行。

进一步地，在s5步骤中，绘制s4步骤中输出原子坐标及原子类型对得到薄膜形态进行可视化绘图，通过判断位错线弯曲的行为，计算位错线弯曲后湮灭的条数，进而统计出不同温度、不同压力和不同衬底类型下的位错密度。

进一步地，本发明还提供了一种生长氮化镓薄膜的降低位错密度的系统，包括：

模型构建单元，用于先建立含位错的氮化镓薄膜晶体的(0001)面的图形衬底模型，然后沿所述氮化镓薄膜晶体的(10-10)面切割半层氮化镓原子层，切割到氮化镓晶面(1-210)时即可形成两种类型位错；

计算单元，用于根据爬坡弹性带理论，计算所述图形衬底模型的(0001)表面所有原子的扩散活化能；

划分单元，用于将所述计算单元计算的活化能数据储存在活化能数据库中，并引进矩阵表征局部晶格结构对活化能的影响；

模拟单元，用于根据过渡状态理论，通过所述活化能数据库，运用所述矩阵计算表面原子运动的传输速率，将所述传输速率作为输入条件，通过动力学蒙特卡洛方法模拟不同温度、不同压强及不同衬底类型条件下薄膜生长过程中位错的演化；

优化单元，用于根据所述模拟单元模拟出的位错动力学演化形态，计算位错密度，从而根据所述位错密度获得不同温度、不同压强及不同衬底类型下位错密度关系，进而得到优化的输入条件。

其中，各单元的具体实施方式可以参考方法实施例中的描述，本发明实施例将不再赘述。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。