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【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O ps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0 ps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。
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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。在模拟实验中，通过观察模拟图像可以发现，随着时间的推移，碳化硅晶体在熔体内不断地长大，晶核以及熔体中的碳和硅原子，在界面附近位置出现互扩散现象。当时间到达100ps时，碳化硅晶核的熔体两端会出现少量按照规则排列的碳和硅原子层；但时间到达400ps时，在熔体中一共有六层有序排列的碳硅原子层：但时间到达至700ps，熔体中有八层有序排列的碳和硅原子层。通过观察三种生长面的模拟图像发现，(100)生长面层密度变化连续高峰的长度在三种生长面中最长[5]，(111)生长面层密度变化的高峰的长度第二，(110)生长面层密度变化的连续高峰的长度最短，并峰值也不明显。通过模拟图像的结果，可以得出结论：(100)生长面的碳化硅晶体生长速率最快：而(111)生长面碳化硅晶体生长速率与之相当，(110)生长面碳化硅晶体生长速率最慢。
结束语
本文使用分子动力学模拟方法，模拟了温度、生长晶面和碳浓度对碳化硅晶体的影响，得出了以下三个结论：一、采用MEAM势函数，对不同温度下碳化硅的生长过程进行描述发现，当温度在2l00-2800K之间时，碳化硅晶体的生长速率随温度的升高而增大，但温度到达2900K时，碳化硅晶体的生长速率到达峰值，而后碳化硅晶体的生长速率会随着温度的升高而降低。但低于1760K时，碳化硅晶体无法正常生长，当温度高于3300K时，碳化硅晶体则会开始熔化。二、采用MEAM势函数，在2900K温度的条件下，对不同碳的原子浓度条件下模拟碳化硅晶体生长时发现：当碳的浓度低于45％时，随着体系中碳浓度的增加，碳化硅晶体的生长速率会增大。而当体系中的碳浓度低于l％时，碳化硅晶体几乎停止了生长；而在碳浓度超过45％时，碳化硅晶体的生长速率会开始降低。三、采用MEAM势函数，对生长面分别为(100)、(111)和(110)晶面的碳化硅晶体生长过程进行模拟发现，在2900K温度下，(100)以及(1l1)生长面的碳化硅晶体均能正常生长，(100)晶面的碳化硅晶体生长速率略高于(111)晶面的碳化硅晶体生长速率。而(110)晶面在我们的小体系下碳化硅晶体不能生长，只是原子级平整的晶面会变成起伏不平的原子面。
【参考文献】
[1]姚敏，袁强辉，刘彦昌等．多晶硅制各方法及太阳能电池发展现状.宁夏工程技术，2016,8(2)：182-185．
[2]康秀红，杜强，李殿中．用元胞自动机与宏观传输模型耦合方法模拟凝固组织．金属学报.2017,6(40)：452-456．
[3]毛文行，邓太平，杜国平等．太阳能多晶硅锭中硬质夹杂及其形成．南昌大学学报，2016，32(1)：34-37．
[4]李强，季殿中，钱百年．元胞自动机方法模拟枝晶生长明．物理学报，2004，53(10)：
77-79．
[5]宋晓燕．基于计算机模拟的正常晶粒长大的三维特征和二维截面表征阴．材料研究学报，2018,12(3)：245-250．
论文作者:刘新辉
论文发表刊物:《科技新时代》2019年3期
论文发表时间:2019/5/9
标签：碳化硅论文; 晶体论文; 生长论文; 原子论文; 浓度论文; 速率论文; 晶核论文; 《科技新时代》2019年3期论文;