一种SiNx改善金刚石异质外延生长GaN的多尺度耦合仿真方法

本技术涉及半导体界面异质外延仿真领域，具体涉及一种sinx改善金刚石异质外延生长gan的多尺度耦合仿真方法。

背景技术：

1、氮化镓(gan)是一种重要的半导体材料，具有优异的电学、光学和热学性能，被广泛应用于高频电子器件、固态照明、激光器和太阳能电池等领域。近年来，gan基异质结材料高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor，hemt)微波功率器件和单片微波集成电路(monolithic microwave integrated circuit，mmic)的性能和可靠性不断提高，其在武器装备、4g通信以及新兴的5g通信应用中都具有重要的地位。但是gan hemt器件在大输出功率工作时会产生大量的热，现有器件结构无法有效将热量及时散出，进而会导致器件结温急剧上升。器件结温的升高会导致器件输出功率密度以及效率等性能迅速恶化，这已经成为阻碍gan基微波功率器件发展的瓶颈，导致gan基微波功率器件无法充分发挥其材料性能优势。

2、金刚石属于新一代超宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大、热导率高、载流子迁移率高、饱和速度大、硬度大、化学稳定性好等一系列优点，也被业界称为终极半导体材料。单晶及高质量的多晶金刚石热导率可高达2000w/(mk)以上，具有目前所知的天然物质中最高的热导率。金刚石的热导率是铜和银的4～5倍，也比碳化硅大4倍。因此将金刚石应用于器件及芯片，对解决现有器件及芯片的散热问题具有重大的意义。

3、目前在金刚石与gan hemt集成用于解决器件散热的研究中，研究较多的技术是将制备完成的gan hemt从原有衬底上剥离下来，转移键合到金刚石衬底上，该技术虽然较为简单成熟，但受限于多晶金刚石加工难度大、粗糙度大的问题，直接键合难以实现，因此，目前大多是以键合层作为中间层的方法键合，但键合层的热阻也较大。

4、除此之外，直接在gan基半导体上外延多晶金刚石也是解决金刚石与gan基半导体材料散热的方法之一，但金刚石生长需要高温、强等离子体，还存在晶格失配及热失配大等问题，使得金刚石与gan基半导体材料的异质集成外延较难实现。

5、采用氮化硅(sinx)作为过渡层和保护层能有效调控材料应力，可保护gan基材料在多晶外延过程中被氢等离子体刻蚀，实现gan金刚石的异质集成生长，这对采用金刚石解决gan基hemt器件的散热问题具有重要意义。

技术实现思路

1、本技术提供一种sinx改善金刚石异质外延生长gan的多尺度耦合仿真方法，可以解决现有技术中存在的金刚石-gan异质结生长界面晶格失配及热失配大，界面生长质量差技术问题。

2、第一方面，本技术实施例提供一种sinx改善金刚石异质外延生长gan的多尺度耦合仿真方法，

3、sinx改善金刚石异质外延生长gan的多尺度耦合仿真方法，其特征在于，所述方法包括：

4、在微观层面，根据晶格失配度构建金刚石-sinx-gan异质结的超晶胞结构模型，对所述异质结进行结构预测并初步筛选sinx，对所述异质结超胞结构的稳定性和电子结构进行判断，并二次筛选sinx介质层；

5、在介观层面，结合二次筛选得到的sinx和相应的预测结构，构建金刚石表面gan沉积模型，测试不同的sinx组合，并不断调整反应参数值，观察晶体生长质量，测定反应过程中的生长速度和晶格参数的参数值；

6、在宏观层面，结合介观层面得到的所述异质结外延生长的最佳生长参数，利用热-电-固-流体多物理场耦合有限元仿真技术，对微波等离子体化学气相沉积法mpcvd合成腔室的结构进行不断调整和模拟测试，通过改变腔室的参数值，监测外延生长过程中，腔室内部的电场分布、磁场分布、等离子体形状和大小的结果，确定最佳的宏观反应环境条件；

7、结合宏观层面得到宏观反应环境条件和结果，对介观层面的条件进行不断调整，以寻求晶体质量更高，缺陷更少的合适介观环境，并将其应用于宏观层面之中进一步模拟仿真测试。

8、结合第一方面，在一种实施方式中，所述方法还包括：

9、反复在介观层面和宏观层面的过程，以达到最优介观与宏观的环境，并利用实际的实验进行测试，以复现多尺度耦合仿真的理论结果。

10、结合第一方面，在一种实施方式中，所述超晶胞结构模型的尺寸为m×n×z，m、n取不小于3的正整数。

11、结合第一方面，在一种实施方式中，所述金刚石-sinx-gan异质结中金刚石层及gan层必须具备足够厚度，以保证存在体相态半导体电子结构；

12、所述金刚石-sinx-gan异质结的晶体结构中的超胞结构包含上下两层，上层为足够厚的真空层，下层为异质结层。

13、结合第一方面，在一种实施方式中，所述sinx中的x取值范围为[0.5,1.5]。

14、结合第一方面，在一种实施方式中，经过第一性原理计算确定所述异质结的超胞结构的晶格常数、形成能、以及晶体稳定性，根据能带结构、电荷转移、以及能带对齐筛选所述异质结的最佳的超胞结构。

15、结合第一方面，在一种实施方式中，所述介观层面上的操作，具体包括如下步骤：

16、以微观层面预测的金刚石-sinx-gan异质结稳定结构为模型生长依据，在该预测结构中，gan的外延层在靠近sinx薄膜夹层的一侧以n原子终止，sinx薄膜夹层在靠近金刚石基底的一侧以si原子终止；

17、在介观层面构建mpcvd生长金刚石基底模型，确定初始外延基底，模拟的金刚石基底表面粗糙度不超过0.5nm；

18、根据前期调研确定合适的参数，在金刚石基底沉积厚度不超过1nm的sinx薄膜夹层，以生长sinx薄膜夹层的表面为对比参数，不断修改沉积模拟过程中的沉积速度、环境温度、压力变化等生长参数；

19、在介观层面模拟基于所述生长参数生长得到的金刚石-sinx表面低温生长gan功能层，该模拟过程包括监测异质结生长过程中气体流速、温度变化、压强变化、保护气比例变化对异质结界面生长质量的影响，评估气孔、裂纹及异常晶粒发生概率，以此调控生长参数。

20、结合第一方面，在一种实施方式中，所述宏观层面上的操作，具体包括如下步骤：

21、结合介观层面的金刚石表面gan沉积模型，依据介观模拟参数建立宏观尺度流体-湿-热-力-电多物理场模型；

22、所述宏观模型利用三维软件设计生长反应腔体；

23、所述生长反应腔体设计完成后，需在comsol多物理场仿真软件中划分合适网格结构及边界条件，进行流体-湿-热-力-电多物理场模拟得到宏观生长最佳仿真参数；

24、所述最佳仿真参数需经过多次仿真调整，综合确定最佳反应条件。

25、结合第一方面，在一种实施方式中，所述多物理场模拟，具体包括如下步骤：

26、流体模型以流体力学中欧拉方程为主要仿真规则，关注反应过程中前驱气体配比和流速对介质层质量影响，同时注意流场参数对等离子体重的电子和离子状态影响，分析其与热场和湿场之间的耦合条件；

27、热场和湿场以相同参数模块进行模拟，采用不同的指征参数，监测异质结生长腔体中的温度、压强及其在整个生长过程中的变化状态，通过调整参数与介观层面的生长模拟对照，观察参数变化对异质结界面生长质量的影响。

28、力场以晶体结构力学为理论指导，介观层面的和宏观层面的模型进行三维模型构建并导入有限元仿真软件中，分析晶面取向、晶面形貌及表面粗糙度对晶体生长过程中气孔、裂纹和异常晶粒分布概率，通过改善空位分布、团聚系数、扩散系数径向分布函数等参数，并调整生长过程中应力-应变控制晶粒生长产生的不良晶粒现象；

29、电场以电磁场理论为指导，分析生长体系中电场和磁场轻度变化，监测参数变化对介观尺度生长界面的电子密度、界面电荷、电场和磁场分布变化；分析电磁场及等离子体对沉积速度和生长质量的影响，观察界面异常晶粒和空洞等缺陷的产生即时调整参数，达到最适合金刚石-sinx-gan异质结生长的电磁场环境要求。

30、结合第一方面，在一种实施方式中，所述反复在介观层面和宏观层面的过程的操作，具体包括如下步骤：

31、通过mpcvd技术生长金刚石衬底与gan，通过原子层沉积ald技术制备sinx薄膜夹层；

32、利用原子力显微镜、透射电子显微镜进行形貌表征，观察外延薄膜的表面粗糙度、表面质量；

33、通过紫外光电子能谱测试、x射线光电子能谱测试对金刚石-sinx-gan异质结界面质量与电子亲和能之间内在关联进行定量分析。

34、本技术实施例提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

35、通过构建微观—介观—宏观多尺度下多物理场耦合模型，仿真sinx改善微波等离子体化学气相沉积法(microwave plasma chemical vapor deposition，mpcvd)方法制备金刚石异质外延生长gan的过程，调试最佳生长参数，节省实验成本。