[发明专利]n型共掺杂金刚石半导体材料制备的多尺度耦合仿真方法

权利要求书

1.n型共掺杂金刚石半导体材料制备的多尺度耦合仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：收集并整理仿真过程中涉及到的各种有效信息并建立相关的模型；

所述有效信息及相关模型包括：金刚石单晶体结构和性质模型，掺杂元素理论结果模型，n型共掺金刚石生长过程中介观分子作用模型，等离子体分子动力学分析模型，MPCVD工艺合成金刚石反应环境模型，等离子体形态和性质演化模型及从微观到介观再到宏观的各尺度物理、化学和工程模型；

S2：初步筛选元素周期表，选定掺杂的元素和对应的核素，并进行两两组合；

S3：构建金刚石m×m×m超晶胞结构模型，并针对掺杂后的结果进行结构预测，对其稳定性进行初步判断，筛选用于掺杂的元素与掺杂浓度；

S4：结合S3得到的掺杂元素和预测结构，建立金刚石表面气体沉积模型，测试不同的元素组合和对应的各种分子载体，并不断调整反应参数值，测定反应过程中的生长速度、掺杂速度、掺杂率和掺杂质量的参数值；

所述步骤S4的步骤如下：

(S4a)结合S3中所得出的合理的元素掺杂组合与掺杂浓度，将其导入S4的介观反应模型之中；

(S4b)在介观层面构建MPCVD生长掺杂金刚石的表面模型，确定初始反应环境和研究对象；

(S4c)基于(S4b)中构建的表面模型，结合统计力学，注重分析参与反应粒子的平均性质，在相干性的尺度之中，用平均值刻画分析整个反应过程；

(S4d)首先对于整个体系中存在的分子、原子以及原子基团的种类和含量进行分析，然后着重针对于金刚石生长的台阶处的粒子变化进行分析，以此建立金刚石表面气体沉积模型，并模拟MPCVD法合成共掺金刚石的生长和掺杂过程中，分子、原子和原子基团之间的相互反应；对于反应的表面状态进行团簇模型描述，并利用量子力学-分子动力学耦合方法进行计算并对相关参数进行调整；包括下述四个反应进程的相关参数：(i)含C和掺杂元素的基团在台阶处的吸附效应；(ii)插入已吸附的含C和掺杂元素的基团，在表面转化为二聚体；(iii)已吸附含C和掺杂元素的基团之间发生氢转移反应；(iv)H转化为H₂脱离，C元素和掺杂元素在表面进行阶梯流型生长；

(S4e)基于(S4d)步骤中对于介观层面各个反应进程的状况及构建的金刚石表面气体沉积模型，监测表面参与反应的粒子平均动能、密度和各粒子的占比；同时通过对整体环境的温度和压强以及对于反应物投放比例的控制来调控以上参数；

(S4f)在介观层面，关注掺杂原子嵌入C-H键和C-C键的能量学分析，监测掺杂原子或对应的原子基团，通过调整(S4d)和(S4e)所述参数，使得其向表面台阶的边缘处迁移，并接近易发生反应的表面自由基位点，当迁移反应稳定时，观测到其迁移路径应接近金刚石表面停留位点；

(S4g)对于等离子体，在最小能量交叉点进行计算，使开壳单线态和开壳三重态的能量相近；

(S4h)优化其他参数数值，包括生长方式、掺杂的原材料、气体环境和反应体系环境参数；

S5：结合S4得到的介观层面分子、原子和原子基团的反应参量和相对应的最佳环境设置，利用热-电-固-流体多物理场耦合有限元仿真技术，对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，监测合成过程中，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条件；

S6：结合S5得到的宏观反应环境条件和结果，对介观尺度的条件进行不断调整，以寻求更加合适的介观环境，并将其应用于S5之中进一步模拟仿真测试；

S7：反复S4、S5和S6的过程，以达到最优介观与宏观的环境，并利用实际实验进行测试，以复现多尺度耦合仿真的理论结果。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2包括以下步骤：

(S2a)总览元素周期表，初步筛选各种元素；对比参量包括电负性、电离能、电子亲合能、原子半径、原子质量、原子光谱、相关同位素核素的放射性；

(S2b)从Ⅲ族至Ⅶ族元素中的非金属元素中选择适合的掺杂元素作为合成n型共掺金刚石的核心掺杂元素X；

(S2c)将选定的元素群体中，对各个元素最常见的核素进行两两组合；

(S2d)将B元素作为辅助的掺杂元素，与核心元素X原子形成B-X共掺组合。