一种InGaN掺杂性能的仿真方法与流程

一种ingan掺杂性能的仿真方法
技术领域
1.本发明涉及材料性能仿真技术领域，特别涉及一种ingan掺杂性能的仿真方法。


背景技术：

2.掺杂是将多种物质混杂在一起的手段，在化工、材料领域有广泛的应用。通过掺杂，可以改善材料的某种电学或机械性能。例如在半导体硅中掺入磷(p) 或镓(ga)就可以得到n型或p型半导体材料。
3.目前，对于材料掺杂已经提出了多种技术。ma等人通过密度泛函理论计算，发现当cu原子掺杂在gaas表面时，该材料展现金属特性，当cu原子掺杂在距离表面(埃，10-10
米)或深度时，呈现出半金属特性。 tian等人也通过第一性原理计算得出，当be，zn，mg作为掺杂元素时，ga 位置相比于n位置来说，更有利于实现gan的p型掺杂。
4.目前提出的技术多是较为粗略的材料掺杂研究，当涉及原子的精确掺杂位置研究时，如果采用传统的实验方法，则需要付出很大的代价，包括时间和经济上的投入。


技术实现要素：

5.本发明实施例提供了一种ingan掺杂性能的仿真方法，用以解决现有技术中采用实验方法研究原子精确位置的掺杂时需要付出很大代价的问题。
6.一方面，本发明实施例提供了一种ingan掺杂性能的仿真方法，包括：
7.构建gan晶体模型；
8.对gan晶体模型的原胞进行扩建，形成超胞；
9.对超胞中的ga原子使用in原子在不同位置上进行替换，以对超胞进行掺杂；
10.对掺杂后的超胞进行优化；
11.对优化后的超胞进行性质模拟，获得in原子掺杂下的ingan合金的特性数据文件；
12.对特性数据文件进行分析，获得ingan合金材料的性能数据。
13.在一种可能的实现方式中，构建gan晶体模型，可以包括：利用materialsstudio软件构建正交相的gan晶体模型。
14.在一种可能的实现方式中，在对gan晶体模型的原胞进行扩建，形成超胞后，方法还可以包括：利用castep模块对超胞进行优化，获得能量最低且处于稳定状态下的超胞。
15.在一种可能的实现方式中，对超胞中的ga原子使用in原子在不同位置上进行替换，以对超胞进行掺杂，可以包括：对超胞中的ga原子进行相同浓度不同位置的in原子替换，实现对超胞的掺杂。
16.在一种可能的实现方式中，对掺杂后的超胞进行优化，可以包括：对掺杂后的超胞使用castep模块进行结构优化和晶胞优化，获得能量最低且处于稳定状态的超胞。
17.在一种可能的实现方式中，对优化后的超胞进行性质模拟，获得in原子掺杂下的ingan合金的特性数据文件，可以包括：利用castep模块对优化后的超胞进行性质模拟，获得特性数据文件。
18.在一种可能的实现方式中，特性数据文件可以包括in原子掺杂下的ingan 合金的能带结构、分态密度、弹性模量和热力学性质的特性数据文件。
19.在一种可能的实现方式中，对特性数据文件进行分析，获得ingan合金材料的性能数据，可以包括：利用castep模块对特性数据文件进行分析，获得 ingan合金材料的性能数据。
20.在一种可能的实现方式中，性能数据可以包括能带图、dos图、pdos图、热力学性质曲线和自由能曲线。
21.本发明中的一种ingan掺杂性能的仿真方法，具有以下优点：
22.1、计算速度快，无需繁琐的实验测试步骤。
23.2、可以在普通计算机上进行，对设备的要求低，无需各类昂贵的测试仪器，节约了大量时间与科研成本。
24.3、可以通过仿真的方式构建晶体模型，无需真实地生长出材料，节约了原料，同时大大加速了对材料的研发和设计。
25.4、计算结果可靠，为材料的实际实验提供了很好的借鉴指导意见。
附图说明
26.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
27.图1为本发明实施例提供的一种ingan掺杂性能的仿真方法的流程图；
28.图2中(a)-(d)为本发明实施例提供的不同掺杂位置下形成能最大及最小情况下材料的电子能带结构图；
29.图3中(a)-(d)为本发明实施例提供的不同掺杂位置下形成能最大及最小情况下材料的态密度图；
30.图4中(a)-(d)为本发明实施例提供的不同掺杂位置下形成能最大及最小情况下材料的热容、焓、熵、自由能随温度变化的关系图。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.图1为本发明实施例提供的一种ingan掺杂性能的仿真方法的流程示意图。本发明实施例提供了一种ingan掺杂性能的仿真方法，包括：
33.s100、构建gan晶体模型。
34.示例性地，s100具体包括：利用materials studio软件构建正交相的gan 晶体模型。在使用materials studio软件构建gan晶体模型时，空间群选择为 pnma，晶格常数设置为同时ga原子的坐标为(-0.1673,0.25,0.4008)，n
原子的坐标为(0.1731,0.25,0.4016)。
35.s110、对gan晶体模型的原胞进行扩建，形成超胞。
36.示例性地，在s110后，方法还包括：利用castep(cambridge sequentialtotal energy package)模块对超胞进行优化，获得能量最低且处于稳定状态下的超胞。具体地，利用castep模块中的calculation程序对超胞进行结构优化和晶胞优化，获得能量最低且处于稳定状态下的超胞，后续均在该优化后的超胞中进行处理。
37.在本发明实施例中，扩建的超胞为2
×1×
2的形式。在密度泛函理论(dft) 下对超胞进行优化，优化时选用geometry optimization方法，精度选择fine，电子交换关联能选用gga-pbe。同时勾选optimize cell，电子优化结构选用 bfgs最小优化方案，赝势选择为otfg ultrasoft。平面波截断能的大小为517ev，在迭代中，自洽收敛精度的标准(scf)是1
×
10-6
ev/atom。在晶体内，应力的收敛标准为0.05gpa，原子最大位移收敛标准为布里渊区采用2
×8×
2 的k点高密度采样。
38.s120、对超胞中的ga原子使用in原子在不同位置上进行替换，以对超胞进行掺杂。
39.示例性地，s120具体包括：对超胞中的ga原子进行相同浓度不同位置的in原子替换，实现对超胞的掺杂。掺杂时根据需要的掺杂浓度，选择与需要替换的ga原子数量相同的in原子进行替换，成分选择为100％，但是选择的位置不相同，本发明中共选取了六种不同的位置。
40.s130、对掺杂后的超胞进行优化。
41.示例性地，s130具体包括：对掺杂后的超胞使用castep模块进行结构优化和晶胞优化，获得能量最低且处于稳定状态的超胞。具体地，采用castep 模块中的calculation程序对超胞进行结构优化和晶胞优化，得到能量最低且处于稳定状态的超胞。获得该能量最低且处于稳定状态的超胞后，即可输出相应的数据文件，并计算出相应的结合能。
42.s140、对优化后的超胞进行性质模拟，获得in原子掺杂下的ingan合金的特性数据文件。
43.示例性地，s140具体包括：利用castep模块对优化后的超胞进行性质模拟，获得特性数据文件。具体地，采用castep模块中的calculation程序对优化后的超胞进行性质模拟，得到相同浓度不同in掺杂位置下的ingan合金的能带结构、分态密度、弹性模量和热力学性质的特性数据文件。在密度泛函理论 (dft)下进行性质模拟时，选用energy方法计算能带结构、分态密度与热力学性质，其中热力学性质包括熵、焓、热容和自由能，选用elastic constants 计算弹性模量值。其余设置与s110中相同。
44.s150、对特性数据文件进行分析，获得ingan合金材料的性能数据。
45.示例性地，s150具体包括：利用castep模块对特性数据文件进行分析，获得ingan合金材料的性能数据。具体地，利用castep模块中的analysis 程序对特性数据文件进行分析，得到电子能带结构图、态密度(density ofstates， dos)图、分态密度(pdos)图与熵、焓、热容等热力学性质曲线以及自由能曲线，从而得到需要仿真的参数。其中，分析得到的不同掺杂位置下形成能最大及最小情况下材料的电子能带结构如图2所示，不同掺杂位置下的形成能最大及最小情况下材料的态密度如图3所示，不同掺杂位置下形成能最大及最小情况下材料的热容、焓、熵、自由能随温度变化的关系如图4 所示。
46.完成上述性能分析后，通过形成能的比较选出形成能最大与最小的两种进行其他
材料性质的计算，比较发现：一般情况下，间隔3个原子的in原子位置替换的形成能最小且最易形成。形成能较小的材料拥有较大的带隙宽度，较小的弹性模量值。此外，in原子的位置对ingan合金材料的热力学性质仅有很微弱的影响。
47.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
48.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。