半导体材料si力学性能及点缺陷运动的分子动力学模拟.pdf

大连理工大学 硕士学位论文 半导体材料Si力学性能及点缺陷运动的分子动力学模拟 姓名：温宇 申请学位级别：硕士 专业：材料加工工程 指导教师：姚曼;王旭东 20080601 大连理：￡大学矮士学位论文 摘要 借助计算机，通过数值模拟对材料的晶体结构和性能进行预测与设计，是当今材料 领域的主要研究方向半导体材料S i 以其力学性能优良、易于生长大尺寸高纯度晶体 等优点，在众多领域都有着广泛的应用但是，由于研究手段的限制，在微观结构、力 学性能、缺陷运动方面仍有许多问题没有得到解决本文应用分子动力学方法，使用 G U L P 软件，研究了半导体材料S i 的力学性能，缺陷运动，选题对于微观材料的研究具 有重要的指导意义 首先，回顾了半导体材料S i 的研究和应用发展现状；论述了计算机模拟在材料设 计中的重要性；对近年来S i 的计算机模拟发展状况进行概括；阐述了分子动力学方法 以及应用子s i 分子动力学计算的相互作用势，对本文使用的模拟软件G U L P 与计算模 块进行了简要的介绍 其次，对不同势函数、不同势函数参数下的S i 的内聚能和力学性能进行计算，并 对势函数参数进行优化分析表明：针对会刚石结构S i ，S t i l l i n g e r - W e b e r ( S W ) 相互作用 势比T e r S o f f 经验性对势获得更加稳定的结构( 内聚能最低) ，更能表现出S i 的性能变 化。

并且，使用修正后的S W 势函数参数，对内聚能、品格常数、体积模量等力学性能 进行计算，获得了更加合理和与实验值更为相符的计算结果 第三，通过对S i 中空位沿着 和 两个晶向运动的模拟分析，结果表明空 位沿《1 1 l 晶向运动时，需要克服的势垒小所以S i 晶体中空位主要沿着 晶向运 动此外，采用修正后的S W 势函数参数计算燃的势垒( 约在4 l e V 左右) 与文献报道 的结果( 范围为4 ．0 e V - ' - ' 5 ．O e V ) 一致 最后，探讨了S i 分子动力学模拟时参数的确定方法经过对比分析，获得了更为 合适的的模拟参数：时间步长为O ．0 0 1 p s ；选择L e a p f r o gV e r l e t 积分方法；体系大小为4 ×4 X 4 ；平衡步数为4 0 0 0 步在此基础上，计算7 常压下s i 的熔点，得出了与实验值 相符的计算结果 关键字：金刚石结构S i ；分子动力学；相互作用势；力学性能；空位 半导体材料S i 力学性能及点缺陷运动的分子动力 M o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o no fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd e f e c t m o v e m e n to fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lS i A b s t r a c t 朋豫d e s i g na n dp r e d i c t i o no ft h ec r y s t a ls t r u c t u r e sa n dp r o p e r t i e so fm a t e r i a l sa i d e db y c o m p u t e r sc a nb ea c h i e v e dt h r o u g hn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ．I ti St h em a i nr e s e a r c h 凡ld i r e c t i o n o ft h ec u r r e n tm a t e r i a lf i e l d ．T h e r eh a v eb e e ne x t e n s i v ea p p l i c a t i o n si nm a n yf i e l d sf o rt h e s e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lS id u et oi t se x c e l l e n tm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 、e a s yg r o w i n gt h el a r g e a n dh i 曲一p u r i t yc r y s t a le t c ．B u t ，t h e r ea r es t i l lm a n yu n r e s o l v e dp r o b l e m si nt h ea s p e c t so f m i c r o s t r u c t u r e s ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd e f e c tm o v e m e n td u et ol i m i t a t i o n si nr e s e a r c h m e t h o d ．T h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dd e f e c tm o v e m e n to fS ih a sb e e ni n v e s t i g a t e db y m o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o n ( M D ) a n dt h ec o d eG U L Pi nt h i sw o r ka n di ti Sh e l p f u lf o r f u r t h e ru n d e r s t a n d i n go ft h em i c r o s t r u c t u r eo fS i 。

F i r s t l y ．t h ep r e s e n ts t a t u sa n dr e s e a r c hp r o g r e s so ft h es e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lS i 如e i m o o r t a n c eo fc o m p u t e ri nm a t e r i a ld e s i g na n dt h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rs i m u l a t i o nf o rS i i ss y s t e m a t i c a l l yr e v i e w e d ．M o l e c u l a rd y n a m i c ss i m u l a t i o na n dI n t e r a t o m i cp o t e n t i a lo fS ia r e a l s oe l u c i d a t e d ．F u r t h e r m o r e ．t h ec o d eG U L Pa n dt h em o d u l eo fc a l c u l a t i o nu s e di n t h i s a r t i c l ea r es i m p l yi n t r o d u c e d ． S e c o n d l y ，t h ec o h e s i v ee n e r g ya n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fS ia r ec a l c u l a t e du s i n g d i f f e r e n tp o t e n t i a l sa n dd i f f e r e n tp a r a m e t e r so fp o t e n t i a l ，t h e nt h ep a r a m e t e r so fp o t e n t i a li S o p t i m i z e d 。

弧ea n a l y s i si n d i c a t e st h a tf o rd i a m o n d —c u b i cS i ，u s i n gt h eS t i l l i n g e r - W e b e r ( S W ) p o t e n t i a lc o u l do b t a i nm o r es t a b l es t r u c t u r e ( t h em i n i m u m c o h e s i v ee n e r g y ) a n ds h o wb e t t e r c h a n g eo fp r o p e r t i e st h a nu s i n gt h eT e r r s o f fp o t e n t i a l ．A n d ，t h ec o h e s i v ee n e r g y ，l a t t i c e c o n s t a n ta n db u I km o d u l u sa r ea l S Oc a l c u l a t e db yu s i n gt h em o d i f i e dS Wp a r a m e t e r s ．T h en e w r e s u l ti Sm o r er e a s o n a b l ea n dc o m e st ob eh i g h l yc o n s i s t e n tw i mt h ee x p e r i m e n t a lv a l u e s ． T h i r d l y ，t h r o u g ht h es i m u l a t i o no ft h ev a c a n c ym o v e m e n ta l o n gt h ec r y s t a l l o g r a p h y o r i e n t a t i o n so f a n d 2 ．3 e V ) 的氮化镓、碳化硅、硒化锌和金刚石等称为第三代半导体材料( 见表1 ．1 ) pJ 。

从目前 电子产业发展来看，尽管有各种新型的半导体材料不断出现【3 I ，但S i 材料具有储量丰富、 价格低廉、热性能与机械性能优良、易于生长大尺寸高纯度晶体( 实验室可以达到1 2 个9 ，工业生产可达到7 ～1 1 个9 t ：J ) 等优点，应用范围广泛( 见表1 ．2 ) ，处在成熟的 半导体材料S i 力学性能点缺陷运动的分子动力学模拟 发展阶段，而且9 0 ％以上的大规模集成电路( L S I ) 、超大规模集成电路( V L S I ) 、甚 大规模集成电路( U L S I ) 都是制作在高纯优质的硅抛光片和外延片上的可以说在未来 的3 0 - ' - - 5 0 年内，它的主导和核心地位仍不会动摇l4 1 表1 ．1 三代半导体材料的比较 T a b ．1 ．1 C o m p a r i s o no ft h r e eg e n e r a t i o n so fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l s 表1 ．2 半导体材料S i 的主要用途1 5 】 T a b ．1 ．2T h em a i np u r p o s eo fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lS i 制作器件主要用途 二极管、晶体管通讯、雷达、广播、电视、自动控制等 集成电路各种计算机、通讯、广播、自动控制、电子钟表、仪表等 整流器整流 晶闸管整流、直流输配电、电气机车、设备自控、高频振荡器、超声波 振荡器等 射线探测器 太阳能电池 原子能分析、光量子检测 太阳能发电 1 ．2 近。