碳化硅晶体生长的分子动力学模拟研究 .pdfVIP

碳化硅晶体生长的分子动力学模拟研究

摘要】本文使用分子动力学模拟方法，构建出了碳化硅晶体的生长模型，模拟

研究了碳浓度、生长晶面以及生长温度对碳化硅晶体生长的影响。

【关键词】碳化硅模拟晶体生长

前言

碳化硅晶体拥有高熔点、高热导、高绝缘性等特点，被广泛应用在微波通

讯，以及电力电子领域的一些半导体器件和集成电路上。且随着碳化硅半导体的

发展，碳化硅的应用前景越来越广阔。然而，由于碳化硅晶体的生产难度大，碳

化硅晶体一直无法满足市场的海量需求[1]。目前，主要采用升华源物理气相输运

技术来制备碳化硅晶体，这种技术已经经过了数十年的发展，能够生产出较大尺

寸的碳化硅单晶体，但生产出的碳化硅晶体中却有微管道，这对于制备的碳化硅

晶体而言是一个巨大的缺陷，而且这个方法生产碳化硅的效率比较低。所以，许

多相关研究人员在不断开发其它制备碳化硅单晶的方法，其中液相生长方法，在

制备硅晶体方面有不错的效果，大大提高了晶体生产的效率。不过，由于碳化硅

的熔点非常高，而且很难找到适合的坩埚材料，并且碳的溶解度也很低，导致使

用液相生长方法来制备碳化硅晶体的研究非常困难，对于碳化硅结晶的生长特性

还不是很清楚。基于此，本文使用分子动力学模拟方法，来构建了碳化硅晶体的

生长模型，从碳浓度、温度、生长面三个方向来探究碳化硅结晶的一些生长特性。

一、温度对碳化硅晶体生长的影响

模拟无限大碳化硅体系的结晶行为时，构造了熔体两端与晶体生长所需的碳

化硅晶核进行了对接，模拟过程中使用的是MEAM势函数。模拟的具体过程中，

在Ops时，体系中间为无序排列的熔体，两端则为碳化硅晶核，熔体和晶体的接

触面构成了晶体的生长面。在经过100ps的生长后，两边的固液界面向前推进了

1~2个原子层，并且接触的地方变得模糊，不再是一个完整的原子晶面[2]。由于

熔体里面的碳、硅原子，是从横向沿着侧边所形成的小台阶向前依附，最终覆盖

完整个表面原子层，其是层状进行生长，这样的情况也符合二维晶核长大的机制。

进而，可以得出结论，碳化硅的生长过程是，首先是用熔体中的碳和硅原子在扩

散到晶核的晶面积淀下来，进而形成二维晶核，成为新的生长台阶。通过模拟实

验发现，温度在2500K-3400K的范围中时，碳和硅原子的均方位移明显增加，这

使得碳和硅原子获得的能量更多，越过势垒的几率增大，相当于加强了两种原子

的扩散运动。

二、碳浓度对碳化硅晶体生长的影响

在模拟研究碳浓度对碳化硅晶体生长的影响时，选择了(100)晶面和2900K的

温度进行模拟生长实验，而碳的浓度则分别为l％、5％、10％、15％、25％、

40％、45％、50％、55％。通过模拟实验发现，在40％碳浓度下体系碳化硅晶体

进行了生长，而且碳化硅晶体生长的长度与模拟时间呈匀速的增加。随着时间地

推移，模拟图像中间出现的杂乱矮峰的长度变短[3]，而两端出现连续高峰的长度

则不断变长。相对于0ps的层密度，在时间到达lO0ps时，左端的层密度连续高

峰数目没有增加，而右端的层密度连续高峰数目增加了2个；当时间来到200ps

时，左端的层密度连续高峰增加了3个，而右端的层密度连续高峰则增加了4个。

并且，随着碳浓度的增加，左端层密度连续高峰不断增加，这说明在不同碳浓度

下，碳化硅晶体均进行了生长。且通过分析模拟图像显示，在碳浓度摩尔百分比

在45％晶体的生长速率最快。除此之外，还得知在碳浓度l％时，碳化硅晶体生

长速率非常慢，当碳浓度位于5％到45％之间时，碳化硅晶体的生长速率随碳浓

度增加，而当碳浓度超过百分之四十五时，碳化硅晶体的生长速率反而会随着碳

浓度的增加而降低。

三、生长面对碳化硅晶体生长的影响

在研究生长面对碳化硅晶体生长的影响时，一共制作了三个碳化硅的特征面

的初始模型图，分别是(100)面、(111)面和(110)面。生长模型与前面的生长模型大

都一样，只是两端晶体部分的取向不同[4]，例如在(111)面生长的体系中，碳化硅

晶体和熔体对接处就是(1l1)晶面。(100)生长面，晶体部分由2560个原子组成，

熔体中则有9088个原子，体系中一共有11648个原子；(111)生长面的晶体部分

有3840个原子，熔体内有9956个原子，体系中一共有13796个原子；(1lO)生长

面的晶体部分有2176个原子，熔体中有6884个原子，体系中共有9060个原子。