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半导体Mg2Si薄膜生长过程的蒙特卡罗模拟.rar

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    半导体 Mg2Si 薄膜 生长 过程 蒙特卡罗 模拟
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    科技学院 2011 届本科毕业论文半导体 Mg2Si 薄膜生长过程的蒙特卡诺模拟专 业: 电子信息科学与技术 指导教师: 肖 清 泉 学生姓名: 何 雪 憾 学生学号: 062004100373 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 I 页 目 录摘要 ................................................................3Abstract............................................................4第一章 绪论 ........................................................51.1 薄膜材料及其研究意义 .......................................51.2 半导体材料的发展历程和应用领域 .............................61.2.1 半导体材料的发展历程 ..................................61.2.2 半导体材料的应用领域 ..................................71.3 Mg2Si 的基本性质及研究现状 .................................81.3.1 Mg2Si的基本性质 ......................................81.3.2 Mg2Si的研究现状 ......................................81.4 Mg2Si的计算机模拟 ..........................................91.5 本文的主要工作 ............................................10第二章 模拟半导体 Mg2Si薄膜生长的基本模型 .........................112.1 蒙特卡罗方法(MC) ........................................112.1.1 蒙特·卡罗方法的基本原理 .............................112.1.2 在数学中的应用 .......................................112.1.3 蒙特卡罗方法的基本思想 ...............................122.1.4 蒙特卡罗方法的模拟过程 ...............................122.1.5 蒙特卡罗方法的发展历史: .............................142.1.6 蒙特卡罗方法模拟的基本步骤 ...........................16第三章 Mg 2Si薄膜过程及蒙特卡罗方法(MC)具体模拟方法 .............183.1 薄膜生长过程 ..............................................183.1.1 沉积粒子的吸附过程 ...................................183.1.2 粒子的脱附过程 ......................................223.2 粒子的迁移驰豫过程 ........................................233.2.1 粒子在基体表面上的弛豫 ...............................23贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 II 页 3.2.2 沉积粒子在基片表面上的迁移 ...........................253.2.3 形成原子对 ...........................................263.2.4 小原子团的形成 .......................................263.2.5 主要研究内容及结论 ...................................30参考文献 ...........................................................32致谢 ...............................................................35贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 III 页 半导体 Mg2Si 薄膜生长过程的蒙特卡诺模拟 摘要在原子尺度上揭示半导体 Mg2Si薄膜膜层形成初期粒子的微观变化过程及膜层微观结构的演化规律,对深入了解表面粒子的迁移、吸附和成核,对改进和优化薄膜生长工艺、提高薄膜质量、改善薄膜性质具有重要意义。本文运用蒙特卡罗方法对半导体 Mg2Si薄膜生长进行模拟,分析和模拟的结果表明:沉积半导体 Mg2Si粒子在基体上的成核大小、扩散步数和成核密度主要取决于基体表面几何形貌、沉积粒子的初始能量、表面的吸附能和基体温度;随着温度的升高,沉粒子的平均扩散步数增加,在一定的生长温度下,随着沉积粒子的增加,形成原簇团的数目先增加后减少,簇团的平均大小增大;沉积过程中,簇团的数目到达界值之前,沉积粒子主要贡献于成核,当核密度达到一定值时,此后则主要贡献于己有晶核的成长和融合,随着沉积的继续,沉积粒子主要贡献于填补迷津结构,形成连续的半导体 Mg2Si薄膜。关键词:薄膜生长; 沉积过程; 蒙特卡罗方法; 半导体 Mg2Si 薄膜贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 IV 页 Semiconductor thin film growth process Mg2Si Simulation Monte KanoAbstractIn the atomic scale revealed the early formation of semiconductor particles Mg2Si thin film process and the microscopic changes in the evolution of film microstructure on the surface of particles in-depth understanding of the migration, adsorption, and nucleation, the improvement and optimization of thin film growth process and improve the film quality to improve the properties of the films is of great significance. This paper uses Monte Carlo methods to simulate the growth of semiconductor films Mg2Si, analysis and simulation results show that: the semiconductor Mg2Si particles deposited on the substrate into the nuclear size, diffusion step and the nucleation density depends on the geometric morphology of the substrate surface, deposition The initial energy of particles, the surface adsorption energy and substrate temperature; as the temperature increases, the average spread of the particles sink to increase the number of steps, in a certain growth temperature increased with the deposition of particles, the formation of the original number of clusters first increase and then decrease in the average size of clusters increases; the deposition process, the number of clusters before the arrival cutoff values, the main contribution to the deposition of particles in the nucleation, when the nuclear density reached a certain value, then the main contribution to have a crystal nuclear growth and integration, with the deposition continues, the main contribution to the deposition of particles to fill the maze at the structure, form a continuous thin film semiconductor Mg2Si.Keywords: Thin film growth; Deposition; Monte Carlo method; Semiconductor films Mg2贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 1 页 第一章 绪论1.1 薄膜材料及其研究意义由于薄膜材料的研究和开发对现代材料产业的生产贡献日益增大,薄膜科学研究成果转化为生产力的速度不断加速等等,都迫使人们对薄膜材料的研究进一步深化。而且薄膜材料的科学研究和其生产是紧密相连的,如果没有对薄膜生长过程中原子的行为有深刻的了解,就很难制造出高质量的薄膜材料,从而不能发挥出薄膜材料特有的高性能,开发和研究新的功能材料将成为一纸空谈。计算机模拟可以从微观上观察薄膜的生长过程,可以方便的改变溅射参数,并观察相应参数的改变对薄膜生长的影响;计算机模拟可以优化溅射参数,找到最优的溅射参数,提高薄膜性能,为实验提供参考。随着固态高科技技术产业(集成电路产业、固体发光和激光器件产业、磁记录材料和器件产业等)的飞速发展,薄膜科学和技术越来越受到重视。薄膜技术之所以能够成为现代材料科学各分支中发展最为迅速的一个,其原因有很多,总结起来可包含三个方面[1]现代科学技术的发展,特别是微电子技术的发展打破了过去体材料一统天下的局面,过去需要众多材料组合才能实现的功能,现在仅仅需要少数几个器件或一块集成电路板就可以完成,薄膜技术正是实现器件和系统微型化的最有效的技术手段。[2]器件的微型化不仅可以保持器件原有的功能并使之强化,随着器件的尺寸减小并接近量子化运动的微观尺度,薄膜材料或器件将显示出许多全新的物理现象,所以薄膜技术作为器件微型化的关键技术是制备具有新型功能器件的有效手段之一。[3]每种材料的性能都有一定的局限性,而薄膜技术则可将各种不同材料灵活地复合在一起,构成具有优异特性的复杂材料体系,发挥各种材料独特的优势,避免单一材料的某些局限性。由于薄膜材料的研究和开发对产业生产贡献日益增大,薄膜科学研究成果转化为生产力的速度不断加速等等,都迫使人们贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 2 页 对薄膜材料的研究进一步深化。而且薄膜材料的科学研究和其生产是紧密相连的,如果没有对薄膜生长过程中原子的行为有深刻的了解,就很难制造出高质量的薄膜材料,从而不能发挥出薄膜材料特有的高性能,开发和研究新的功能材料将成为一纸空谈。1.2 半导体材料的发展历程和应用领域半导体材料(semiconductormaterial)是导电能力介于导体与绝缘体之间的物质。半导体材料是一类具有半导体性能、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。半导体材料也是半导体工业的基础,是信息技术和产品发展的“粮食”,它的发展对半导体技术的发展有极大的影响,对信息产业的发展速度起着举足轻重的作用 。1.2.1 半导体材料的发展历程半导体的发展历程,伴随不同时期新材料的出现,半导体的应用先后出现了几次飞跃。第一代半导体是“元素半导体” ,典型如硅基和锗基半导体。其中以硅基半导体技术较成熟,应用也较广,一般用硅基半导体来代替元素半导体的名称。硅基半导体器件的频率只能做到 ,硅基半导体集成电路芯片最小设计线宽己10GHz经达到 到 2015 年,最小线宽将达到 。 μm13.0 μm07.第二代半导体材料是化合物半导体。化合物半导体是以砷化镓( ) 、GaAs磷化铟( )和氮化镓( )等为代表,包括许多其它 III-V 族化合物半导InPaN体。这些化合物中,商业半导体器件中用得最多的是砷化镓( )和磷砷化镓( ) ,磷化铟( ) ,砷铝化镓( )和磷镓化铟( ) 。其GaAsInPGaAlsInaP中以砷化镓技术较成熟,应用也较广。化合物半导体不同于硅半导体的性质主要有二: 一是化合物半导体的电子迁移率较硅半导体快许多,因此适用于高频传输,在无线电通讯如手机、基地台、无线区域网络、卫星通讯、卫星定位等皆有应用;二是化合物半导体具有直接带隙,这是和硅半导体所不同的,因此化合物半导体可适用发光领域,如发光二极管( )、激光二极管( )、光LEDLD接收器( )及太阳能电池等产品。可用于制造超高速集成电路、微波器件、PIN激光器、光电以及抗辐射、耐高温等器件,对国防高技术研究具有重要意义。目前化合物半导体器件工作频率已经达到 ,线宽达到亚微米,并带动了10GHz贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 3 页 异质结技术的发展,使之成为微波/毫米波的主流。通过进一步的努力,化合物半导体器件的工作频率将可以得到进一步提高。1.2.2 半导体材料的应用领域 半导体材料的应用非常广泛,其作用已经渗透到各个领域 第一、半导体照明技术的迅猛发展。 基于半导体发光二极管 (LED) 的半导体光源具有体积小、发热量低、耗电量小、寿命长、反应速度快、环保、耐冲击不易破、废弃物可回收,没有污染,可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点,具有重大的经济技术价值和市场前景。特别是基于 LED 的半导体照明产品具有高效节能、绿色环保优点,在全球能源资源相当有限和保护环境可持续发展的双重背景下,将在世界范围内引发一场划时代的照明革命,成为继白炽灯,荧光灯之后的新一代电光源,进入到千家万户。目前 LED 已广泛用于大屏幕显示、交通信号灯、手机背光源等,开始应用于城市夜景美化亮化、景观灯、地灯、手电筒、指示牌等,随着单个 LED 亮度和发光效率的提高,即将进入普通室内照明、台灯、笔记本电脑背光源、LCD 显示器背光源等,因而具有广阔的应用前景和巨大的商机。 2001 年,白光二极管的使用量有 2 亿个,2002 年有 6 亿个的使用量,2003 年急速扩大到 12 亿个,从 2004 年开始,还会有更为可观的市场规模突破。第二、消费类光电子,光存贮、数字电视以及全球家用电子产品装备无线控制和数据连接的比例越来越高,音视频装置日益无线化。 消费类光电子,光存贮、数字电视以及全球家用电子产品装备无线控制和数据连接的比例越来越高,音视频装置日益无线化。再加上笔记本电脑的普及,这类产品的市场为化合物半导体产品的应用带来了庞大的新市场。 第三、汽车光电子市场,目前汽车防撞雷达己在很多高档车上得到了实用,将肯定会越来越普及。 汽车光电子市场,目前汽车防撞雷达己在很多高档车上得到了实用,将来肯定会越来越普及。由于汽车防撞雷达一般工作在毫米波段,所以肯定离不开砷化镓甚至磷化铟,它的中频部分才会用到锗硅,由于全球汽车工业十分庞大,所以这是一个早晚必定会发生的巨大市场。 贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 4 页 第四、新一代光纤通信技术。 新一代的 40Gbps 光通信设备不久肯定会开始装备,4OGbps 的光通信设备会代替 25Gbps 设备投入大量使用。而这些设备中将大量使用磷化铟、砷化镓、锗硅等化合物半导体集成电路。 第五、信技术正在不断朝有利于化合物半导体产品的方向发展。目前二代半 (25G) 技术成为移动通信技术的主流,同时正在逐渐向第三代 (3G) 过渡。由于二代半技术对功放的效率和散热有更高的要求,所以这对砷化镓器件有利。3G 技术要求更高的工作频率,更宽的带宽和高线性,这也是对砷化镓和锗硅技术有利的。目前第四代(4G)的概念己明确提出来了。 4G 技术对手机有更高要求。它要求手机在楼内可接入无线局域网(WLAN) ,即可工作到 2.4GHz 和5.8GHz,在室外可在二代、二代半、三代等任意制式下工作。因此这是一种多功能、多频段、多模式的移动终端。从系统小巧来说,当然会希望实现单芯片集成 (SOC),但单一的硅技术无法在那么多功能和模式上都达到性能最优。要把各种优化性能的功能集成在一起, 只能用系统级封装 (SIP),即在同一封装中用硅、锗硅、砷化镓等不同工艺来优化实现不同功能,这就为砷化镓的不断发挥优势带来了新的发展前景。 1.3 Mg2Si 的基本性质及研究现状1.3.1 Mg2Si 的基本性质Mg2Si是Mg-Si 二元体系中唯一的稳定存在的化合物,具有类CaF 2的反萤石晶体结构 [2],空间群为Fm3m,面心立方(fcc)晶体。一个Mg 2Si晶胞中含4个硅原子,8个镁原子,符合Mg 2Si的化学计量比Mg/Si=2∶1。晶胞中硅原子位于边长为的立方晶胞的各个角顶,形成面心立方结构;镁原子填充在内部形成边长为aa/2的简立方结构,具有较高的对称性。Mg 2Si的晶格常数 =0.635nm,它属于a正常价金属间化合物,几何密排相为GCP。同时Mg 2Si具有高的热电势率和低导热率,因此是一种很有发展潜力的热电材料。作为一种新型的环境半导体材料,Mg 2Si以具有极低的密度 [4],高熔点,低膨胀系数,高热稳定性等优异性能而倍受人们的青睐。并且组成Mg 2Si材料的元素硅和镁在地层中的蕴藏量大,价格低廉,耐腐蚀,对环境无污染,是一种理想的环境半导体材料。Mg 2Si还是一种窄带隙半导体材料, 其能带带隙值为0.78eV[5],在光电子器件和能量器件应用方面具有非常良好的性能,并且可以贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第 5 页 在硅基片上外延生长,与传统的硅工艺兼容,因此在光电子器件,能量器件领域具有重要的应用前景。碱土金属硅化物是由地壳中含量丰富的元素组成的,对于它们在光电和热电器件上的应用已经引起了人们非常大的兴趣。Mg 2Si 由 Mg,Si 元素组成,它们的在地壳中的原料资源丰富,地层蕴藏量大,而且价格低廉,无毒无污染,在国际上被称为环境半导体材料,并且它可可以在 Si 基片上外延生长,和传统的 Si 工艺兼容,在热电材料,电池材料,结构材料等方面有广泛的应用前景。开展对这一材料的研究,对人类文明的延续和发展具有重要的意义。1.3.2 Mg2Si 的研究现状国外对于环境半导体硅化合物作为光电子材料的研究,欧洲最先开始,英国和德国在 2000年前就合作开展了一个叫 ESPRIT的有关环境硅化合物半导体材料的研究计划。日本于 1996年开始这方面的研究,并于 1998开始,每年都召开有关环境半导体材料的学术会议,并与英国开展合作研究。目前对 Mg2Si半导体材料的研究主要集中在日本、俄罗斯。1996 年 Daiki Tamura 等人 [6]测出了块体 Mg2Si半导体材料的霍尔系数及其带隙值,1997 年M.Riffel[7]研究了 Mg2Si的热电性质,并分析了氧化物对热电性能的影响,而在 2005年 N.G.Galkin [8]对多层 Si-Mg2Si异质结构的生长、光学和热电特性进行了测试分析,2007 年 K.N.Galkin等人 [9]对镁在硅衬底上的粘附系数进行了研究,得出了硅衬底温度高于 100℃时镁的粘附系数近似为 0。在国内,目前对半导体 Mg2Si 材料的研究较少,中国科学院固体物理所秦晓英课题组 [10]对纳米晶 Mg2Si 金属间化物块体材料进行了研究,武汉理工大学姜洪义等人对 Mg-Si 基热电材料进行了量子化学计算,并对 Mg2Si 的热电性质进行了相应的研究,贵州大学陈茜等人也对 Mg2Si 的电子能带结构进行了研究。在 Mg2Si 半导体材料制备技术方面,通常采用粉末冶金法和熔融法来制备块体 Mg2Si 半导体材料,采用热蒸发方法,分子束外延等方法制备半导体Mg2Si 薄膜材料,而采用具有工业化优势的磁控溅射技术来制备半导体 Mg2Si薄膜材料却未见报道。
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