碳化硅晶体生长的分子动力学模拟研究

论文摘要

碳化硅具有带隙宽、热导率高、电子饱和漂移速率大等优异的电学性能,正展现出巨大的发展潜力和广阔的市场前景,因此近年来对碳化硅的研究非常热门。本文以碳化硅为研究对象,运用分子动力学模拟方法,首先对比研究了MEAM势和Tersoff势描述的碳化硅在熔化和晶体生长过程方面的异同,选出更适合碳化硅晶体生长的势函数。然后使用该势函数模拟了不同温度、不同碳浓度和不同生长面对碳化硅单晶生长的影响,结果表明：（1） MEAM势和Tersoff势描述的碳化硅的熔化过程基本相同,不同的是两者的熔点：MEAM势的体熔点为4250 K,热力学熔点为：3338 K；Tersoff势的体熔点为4750 K,热力学熔点为3430 K。MEAM势的熔点与物理实验结果更接近。两种势函数描述的碳化硅在晶体生长方面差异很大,Tersoff势描述的SiC在过冷度为0 K-1000 K的范围内均不能生长,而MEAM作用下的SiC的晶体在一定过冷度下可以生长,且过冷度约为400 K时晶体生长速率最快。（2）采用MEAM势函数,对不同温度条件下碳化硅的晶体生长模拟发现：在温度范围为2100-3300K内,碳化硅晶体生长速率随温度的升高先是逐渐增大,到温度为2900K时,碳化硅晶体的生长速率达到最大值,其后,碳化硅晶体的生长速率随温度的升高而逐渐减少。低于2100K时（1700K）,碳化硅晶体不能正常长大,高于3300K时（3400K）,碳化硅晶体会出现熔化现象。并从理论上对温度与碳化硅晶体生长速率之间的关系加以了分析。（3）采用MEAM势函数,在2900K温度和不同碳的原子浓度条件下模拟碳化硅晶体生长时发现：碳浓度低于45%时,随着碳浓度的增加,生长速率越来越快。当碳浓度低至1%时,碳化硅晶体基本不能生长；而当碳浓度超过45%时,生长速率会开始降低。（4）采用MEAM势函数,生长面分别为（100）、（111）和（110）晶面的碳化硅晶体生长过程模拟发现：在2900K温度下,（100）和（111）生长面的碳化硅均能正常生长,（100）晶面的生长速率略高于（111）晶面。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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 碳化硅的结构和性质
• 1.3 液相法晶体生长理论
• 1.4 晶体生长的计算机模拟
• 1.5 本文的研究的主要内容
• 第2章 分子动力学的方法及分析技术
• 2.1 分子动力学方法
• 2.1.1 基本原理
• 2.1.2 系综
• 2.1.3 系综调温技术
• 2.1.4 系综调压技术
• 2.1.5 势函数
• 2.1.5.1 MEAM势函数
• 2.1.5.2 Tersoff势函数
• 2.2 分子动力学分析技术
• 第3章 碳化硅势函数的对比研究
• 3.1 引言
• 3.2 体熔化
• 3.2.1 初始构型及模拟过程
• 3.2.2 结果和讨论
• 3.3 表面熔化
• 3.3.1 初始构型及模拟过程
• 3.3.2 结果和讨论
• 3.4 晶体生长
• 3.4.1 初始构型及模拟过程
• 3.4.2 结果和讨论
• 3.5 本章小结
• 第4章 温度对碳化硅晶体生长的影响
• 4.1 初始模型及模拟过程
• 4.2 模拟结果
• 4.3 分析讨论
• 4.4 本章小结
• 第5章 碳浓度对碳化硅晶体生长的影响
• 5.1 初始模型及模拟过程
• 5.2 模拟结果
• 5.3 分析讨论
• 5.4 本章小结
• 第6章 生长面对碳化硅晶体生长的影响
• 6.1 初始模型及模拟过程
• 6.2 模拟结果
• 6.3 分析讨论
• 6.4 本章小结
• 第7章 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果