一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的Monte Carlo模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的MonteCarlo模拟方法，包括：1)计算得ZnO和Zn

A Monte Carlo simulation method suitable for studying scattering of alloy clusters in ZnMgO/ZnO heterostructures

The invention discloses a MonteCarlo simulation method suitable for studying scattering of alloy groups in ZnMgO/ZnO heterojunction, comprising: 1) calculating ZnO and Zn;

【技术实现步骤摘要】
一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的MonteCarlo模拟方法
本专利技术涉及模拟ZnMgO/ZnO异质结中的二维电子气输运特性，特别是合金群散射机制对低场和高场条件下电子输运特性影响的MonteCarlo模拟。
技术介绍
近年来，随着宽禁带半导体材料和器件制备工艺的迅速发展，以碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)、氧化锌(ZnO)、金刚石(Diamond)、二氧化钛(TiO2)、氮化铝(AlN)等为代表的新一代宽禁带半导体凭其卓越的材料特性为高性能半导体器件和集成电路的研究注入了新的活力。在这些宽禁带半导体中，II-VI族宽带隙半导体ZnO作为继GaN之后的又一种理想半导体材料，能够与MgO形成带隙在3.4～7.8eV之间变化的MgZnO三元化合物半导体。MgZnO生长温度较低(100～700℃)且具有匹配的单晶衬底(六方相MgZnO衬底可以采用ZnO，立方相MgZnO衬底可以采用MgO)。同时，MgZnO来源丰富、无毒无污染、热稳定性好、抗辐射能力强，可以进行湿法刻蚀而使后继制备工艺更方便，因此，受到了大家的广泛关注。更重要的是，类似于AlGaN和GaN材料，MgZnO和ZnO也可以形成MgZnO/ZnO异质结，在其界面处会因极化效应会诱导产生具有很高浓度(1012cm-2)和电子迁移率(700000cm2V-1s-1)的二维电子气(2DEG)，预示其在高频大功率器件应用方面的巨大潜力。然而，作为新型半导体材料，人们对ZnMgO/ZnO异质结的认知远不如对AlGaAs/GaAs或者AlGaN/GaN异质结那样清楚，这主要是由于人们之前对ZnO和ZnMgO材料的研究较多，对于ZnMgO/ZnO异质结的研究起步较晚。因此，有必要对ZnMgO/ZnO异质结的输运特性进行深入研究，获得精确的输运参数，为设计和制备高性能ZnMgO/ZnO异质结半导体器件提供参考。目前，对ZnMgO/ZnO异质结输运特性的MC模拟还存在若干技术问题尚待解决：1)合金群散射是一种由合金组分波动引起沟道电子能级波动的散射，研究表明：该散射对AlGaN/GaN和InAlN/GaN等异质结的输运特性影响很大，尤其是对异质结电子迁移率特性影响较大，但目前尚未见到合金群散射对于ZnMgO/ZnO异质结输运性质影响的报道；2)已有的MC研究中，对ZnO和ZnMgO的能带均采用三能谷解析带近似，事实上，为了提高模拟的准确性，需要考虑更为复杂的能带模型，如五能谷模型。因此，如何设计一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的MC模拟方法，解决目前ZnMgO/ZnO异质结材料输运特性研究所面临的现实问题，实属当前业界的重要研究课题之一。
技术实现思路
针对上述不足，本专利技术的目的在于提供一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的MonteCarlo模拟方法，对ZnO和Zn1-xMgxO分别采用五能谷解析带模型，同时考虑到合金群散射、位错散射、界面粗糙散射、合金无序散射、声学波形变势散射、声学波压电散射、极性光学波散射和谷间散射等散射机制的影响，建立精确的MonteCarlo模型，模拟合金群散射对于ZnMgO/ZnO异质结高、低场电子输运特性的影响，得到更为准确的ZnMgO/ZnO异质结输运特性及参数，以克服现有的ZnMgO/ZnO异质结在仿真与应用方面的不足。本专利技术所采用的技术方案包括下述步骤：1)根据第一性原理计算，得到ZnO和Zn1-xMgxO的能带结构，在此基础上，对ZnO和Zn1-xMgxO分别采用五能谷解析带近似；2)将步骤1)得到的ZnO和Zn1-xMgxO能带结构分别进行拟合，得到ZnO和Zn1-xMgxO各自最低五个能谷的有效质量；3)设定温度和组分x，通过自洽求解薛定谔和泊松方程，得到ZnMgO/ZnO异质结的电子波函数、量子化能级和电子面密度Ns；4)在步骤2)所得到的能谷有效质量和步骤3)所得到的电子波函数、量子化能级和电子面密度Ns的基础上，建立包括合金群散射、位错散射、界面粗糙散射、合金无序散射、声学波形变势散射、声学波压电散射、极性光学波散射和谷间散射等散射在内的能够准确模拟ZnMgO/ZnO异质结输运特性的MonteCarlo模型，并在该模型中设定各种散射参数；5)利用步骤3)所得到的电子波函数、量子化能级和电子面密度Ns，利用步骤4)设定的各种散射参数，计算MonteCarlo模型中各种散射机制的散射矩阵元，然后将其代入散射率公式，得到相应的散射率；6)在步骤4)得到的MonteCarlo模型的基础上，初始化各粒子的波矢，模拟粒子在外电场作用下的运动，在每个电场值下进行一段时间步长的模拟；7)设置粒子编号n从0开始，然后设置电场强度F的大小；8)粒子编号n等于n加1；9)在步骤5)所得到各种散射机制的散射率的基础上，处理第n个粒子在一个时间步长内的自由飞行和散射，并记录结果，判断粒子编号n与模拟粒子总数N的大小关系，如果n大于等于模拟粒子总数，则进入下一个时间步长处理自由飞行和散射，然后判断模拟时间t与总仿真时间Ttot的大小关系；如果n小于模拟粒子总数N，则重复步骤8)-9)；10)如果模拟时间t大于等于总仿真时间Ttot，则输出数据，得到给定电场条件下的电子瞬态速度v和电子瞬态占据率p；如果模拟时间t小于总仿真时间Ttot，则重复步骤7)-10)；11)在步骤10)得到电子瞬态速度v的基础上，对速度取平均值，得到电子的稳态漂移速度vd，将稳态漂移速度vd与电场强度F的比值作为电子迁移率μ；12)重复步骤4)-11)，得到电子迁移率μ与群尺寸ξ、镁组分波动η以及电子面密度Ns的关系；不同温度下的电子稳态漂移速度vd与电场强度F的关系；不同电场强度F、镁组分波动η和群尺寸ξ条件下的电子瞬态输运特性，以及不同电场强度F条件下的电子瞬态占据率p，分别绘制关系图，模拟合金群散射、电子面密度对电子迁移率的影响；模拟温度对电子稳态输运特性的影响；模拟合金群散射、电场强度对电子瞬态输运特性的影响；模拟合金群散射、电场强度对电子瞬态占据率特性的影响。实施本专利技术的实施例，具有如下有益效果：1)本专利技术的一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的MonteCarlo模拟方法是基于对粒子运动的微观描述，具有较高的精度，模拟了异质结材料中载流子输运特性，适用于不同镁组分、不同温度下的ZnMgO/ZnO异质结输运特性的仿真模拟。2)本专利技术在各种散射模型中考虑到了合金群散射机制的影响，使ZnMgO/ZnO异质结模拟中考虑的散射机制更加全面，得到的电子输运特性更加精确。3)本专利技术中采用五能谷解析带模型的模拟精度高于三能谷模型。4)MonteCarlo模拟得到高场条件下的电子输运特性，为设计和制备高频和高功率领域的异质结器件提供了参数。5)合金群散射是一种在低温下起主导作用的散射机制，它对电子迁移率具有限制作用，本专利技术提供的仿真数据为在ZnMgO/ZnO异质结中降低合金群散射的影响和提高电子迁移率特性提供了参考。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。图1是一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的MonteCarlo模拟方法的流程图。图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的Monte Carlo模拟方法，其特征在于，包括下述步骤：1)根据第一性原理计算，得到ZnO和Zn

【技术特征摘要】
1.一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的MonteCarlo模拟方法，其特征在于，包括下述步骤：1)根据第一性原理计算，得到ZnO和Zn1-xMgxO的能带结构，在此基础上，对ZnO和Zn1-xMgxO分别采用五能谷解析带近似；2)对步骤1)得到的ZnO和Zn1-xMgxO能带结构分别进行拟合，得到ZnO和Zn1-xMgxO各自最低五个能谷的有效质量；3)设定温度和组分x，通过自洽求解薛定谔和泊松方程，得到ZnMgO/ZnO异质结的电子波函数、量子化能级和电子面密度Ns；4)在步骤2)所得到的能谷有效质量和步骤3)所得到的电子波函数、量子化能级和电子面密度Ns的基础上，建立能够准确模拟ZnMgO/ZnO异质结输运特性的MonteCarlo模型，并在该模型中设定各种散射参数；5)利用步骤3)得到的电子波函数、量子化能级和电子面密度Ns，以及步骤4)设定的各种散射参数，计算MonteCarlo模型中各种散射机制的散射矩阵元，然后将其代入散射率公式，得到相应的散射率；6)在步骤4)得到的MonteCarlo模型的基础上，初始化各粒子的波矢，模拟粒子在外电场作用下的运动，在每个电场值下进行一段时间步长的模拟；7)设置粒子编号n从0开始，然后设置电场强度F的大小；8)粒子编号n等于n加1；9)在步骤5)所得到各种散射机制的散射率的基础上，处理第n个粒子在一个时间步长内的自由飞行和散射，并记录结果，判断粒子编号n与模拟粒子总数N的大小关系，如果n大于等于模拟粒子总数N，则进入下一个时间步长处理自由飞行和散射，然后判断模拟时间t与总仿真时间Ttot的大小关系；如果n小于模拟粒子总数N，则重复步骤8)-9)；10)如果模拟时间t大于等于总仿真时间Ttot，则输出数据，得到给定电场条件下的电子瞬态速度v和电子瞬态占据率p；如果模拟时间t小于总仿真时间Ttot，则重复步骤7)-10)；11)在步骤10)得到电子瞬态速度v的基础上，对速度取平均值，得到电子的稳态漂移速度vd，将稳态漂移速度vd与电场强度F的比值作为电子迁移率μ；12)重复步骤4)-11)，得到电子迁移率μ与群尺寸ξ、镁组分波动η以及电子面密度Ns的关系；不同温度下的电子稳态漂移速度vd与电场强度F的关系；不同电场强度F、镁组分波动η和群尺寸ξ条件下的电子瞬态输运特性；以及不同电场强度F条件下的电子瞬态占据率p，分别绘制关系图，模拟合金群散射、电子面密度对电子迁移率的影响；模拟温度对电子稳态输运特性的影响；模拟合金群散射、电场强度对电子瞬态输运特性的影响；模拟合金群散射、电场强度对电子瞬态占据率特性的影响。2.根据权利要求1所述的一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的MonteCarlo模拟方法，其特征在于，所述步骤1)中，对ZnO和Zn1-xMgxO的能带结构采用五能谷模型，能谷依次为Γ1谷、A谷、LM谷、M谷和K谷。3.根据权利要求1所述的一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的MonteCarlo模拟方法，其特征在于，所述步骤1)中，采用解析能带法，假定电子能量E与波矢k满足简单的解析关系，则式中，为普朗克常数，m为有效质量。4.根据权利要求1所述的一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的MonteCarlo模拟方法，其特征在于，所述步骤1)中，通过基于第一性原理计算的CASTEP软件包计算ZnO和Zn1-xMgxO的能带结构，通过下述方法实现：通过广义梯度近似下的PBE泛函获得交换关联势，在晶体倒格子坐标中，按Monkhorst-Pack方案生成的特殊k点对第一布里渊区进行积分；设置平面波截断能为380eV，Monkhorst-Pack网格点是3×3×2以保证计算结构能量得到收敛。5.根据权利要求1所述的一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的MonteCarlo模拟方法，其特征在于，所述步骤2)中，拟合ZnO和ZnMgO各自最低五个能谷的有效质量，利用步骤1)中得到的能带结构，分别画出Γ1谷、A谷、LM谷、M谷和K谷的导带底能带图，然后进行多项式拟合，分别得到各能谷的有效质量。6.根据权利要求1所述的一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的MonteCarlo模拟方法，其特征在于，所述步骤3)中，设定Zn1-xMgxO中的组分x＝0.111，0.167，0.25；设定Zn1-xMgxO/ZnO异质结的温度分别为10K和300K；通过自洽求解薛定谔和泊松方程得到ZnMgO/ZnO异质结的电子波函数、量子化能级和电子面密度Ns：3a)薛定谔方程为其中，是普朗克常数，m*是有效质量，U(z)是电子势能，Em是电子的特征能量；由于z向的量子化能级效应，ζm(z)是对应特征能量Em的第m个子带的电子特征波函数；3b)泊松方程为其中，ε是相对介电常数，φ(z)是静电势，e是电子电荷，n(z)是电子浓度，电子势能与静电势满足U(z)＝φ(z)+ΔEc(z)ΔEc(z)＝0.9×ΔEg＝0.9×2.145x其中，ΔEc(z)是异质界面处导带能带偏移值，x为镁组分；电子波函数ζ(z)与电子浓度n(z)的关系为：Ns＝∫n(z)dz其中ni是第i个子带的电子浓度，kB是波尔兹曼常数，T是温度，Ef是费米能级，Ei是第i个子带的电子能量，Ns为电子面密度。7.根据权利要求1所述的一种适于研究ZnMgO/ZnO异质结中合金群散射的MonteCarlo模拟方法，其特征在于，所述步骤4)中，建立能够准确模拟ZnMgO/ZnO异质结输运特性的MonteCarlo模型，建立过程如下：4a)在步骤1)建立的五能谷解析带模型基础上，对ZnO的最低Γ1谷考虑5个最低子带，且引入尺寸量子化效应的影响；4b)建立包含合金群散射模型、位错散射模型、界面...

【专利技术属性】
技术研发人员：王平，陈鸿燕，程静思，李招灵，郭立新，杨银堂，张志勇，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61