[发明专利]一种生长氮化镓薄膜的降低位错密度的方法及系统

说明书

本发明公开了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，属于氮化镓薄膜领域，该方法包括：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、压强下薄膜形态、位错线的演化。从而解决目前氮化镓薄膜中位错密度影响其光、电学性能的问题，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，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。

技术领域

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E_g＝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。

发明内容

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：