[发明专利]n型共掺杂金刚石半导体材料制备的多尺度耦合仿真方法

说明书

本发明公开了n型共掺杂金刚石半导体材料制备的多尺度耦合仿真方法，步骤如下：S1：收集相关信息，建模；S2：初步筛选掺杂的元素和核素；S3：构建金刚石超晶胞结构模型，筛选掺杂元素；S4：建立金刚石表面气体沉积模型，测试元素组合和对应的载体分子，优化参数；S5：结合S4的反应及环境参量，对于合成腔室的结构调整和模拟测试，确定宏观反应条件；S6：通过模拟仿真寻求特定产品更加合适的介观环境，并将其应用于S5模拟仿真测试中；S7：反复S4、S5、S6，获取最优条件。本发明通过多尺度多物理场耦合仿真，建立微观——介观——宏观仿真MPCVD方法制备n型共掺金刚石半导体的仿真模型，减少试错成本，快速获取最佳制备条件。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，尤其涉及n型共掺杂金刚石半导体材料合成过程中的多尺度耦合仿真方法。

背景技术

金刚石是碳单质的一种同素异形体，由于其特殊的原子结构，它有着极高的硬度，其显微硬度比常见的石英高数千倍，甚至比刚玉也高出几百倍，为自然界中已知的最坚硬物质。除此之外，由于其在光学、声学、热学、电学、化学、生物学等领域的优异性质，金刚石在工业生产和制造中的各个领域中有着不可替代的优势和广阔的应用前景。

然而，由于天然金刚石储量较低，开采难度较大，如今工业生产中的金刚石更多地是使用人造金刚石。当下工业生产之中，人工合成金刚石最常用的方法是高温高压法(HTHP：High Temperature High Pressure)，即在高温高压的条件下，石墨可以逐渐转化为金刚石。但是，利用HTHP法制备金刚石所需要的仪器设备体积较大，对于反应环境的要求较高，且难以控制反应进程。随着科技的发展，化学气相沉积法(CVD：Chemical VaporDeposition)以其合成的设备相对简单、合成面积较大、可控掺杂等优势而逐渐受到学者们的关注，尤其是微波等离子体化学气相沉积法(MPCVD：Microwave Plasma Chemical VaporDeposition)，由于在实际生产过程中更容易制得高质量的金刚石且在生产过程中沉积温度低、放电区域集中而不扩散、几乎不存在气体和电极污染、工作稳定、易于精准控制、沉积效率高、有利于核的形成等优势而成为近些年研究的热门方向。

近些年来，随着工业的发展，纯净的金刚石已经难以满足部分工业生产和制造中的某些特殊的需求，因此学者们将研究的视野投向掺杂金刚石的领域。计算机技术的发展使得计算化学领域的研究得以快速地进步，也给现代化学研究提供了新的途径和思路。

半导体材料在日常生产和生活中的运用极为广泛，纯净的单晶硅成为了半导体制作和加工最常使用的原材料。然而，随着人类在各个领域不断地发展，对于半导体及以其为基础而研发的各种器件提出了更高的要求，尤其是需要高频、高功率、高速和高温以及可以适应各种恶劣环境下工作的元器件。例如在航空航天领域，军用的超音速战斗机引擎中的监控系统需要在300℃的环境下长时间持续稳定的工作，但是大部分元器件只能承受100℃左右的环境温度；在太空探索领域之中，地球轨道卫星中的各元器件需要承受正面高达200℃而背面低至-100℃的巨大温差而不会损毁或失效；在通讯领域，人们也希望能找到功率、频率更高，且信号收发更为稳定的元器件；在航天器上，常规的以Si或GaAs为原材料的器件，只能承受125℃左右的温度，因此就需要为该元器件配备冷却系统，如果能将耐受温度提高到300℃，那么冷却系统的体积可以缩小60％，因此可以极大地节约航天器的内部空间，从而降低成本并可以在有限的空间中集成更多的仪器设备；在通讯设备中，受限于工艺和原材料(Si)本身的性质，其体积和功率难以找到一个平衡点，如果能找到以新型半导体为基础而制成的元器件，可以在同等体积和质量的情况下设计出功率更大、能耗比更高效且信号更加稳定的通讯器件。