一种对化合物半导体器件生长程序的文件转换方法技术领域
本发明涉及一种对化合物半导体器件生长程序的文件转换方法，尤其涉及一种将
化合物半导体器件生长程序转换成数值仿真分析软件用器件结构描述文件的方法。
背景技术
当前大规模应用的化合物半导体器件如半导体激光器、探测器、传感器、多结太阳
电池、微波器件等的生长广泛采用金属有机气相外延(MOCVD)和分子束外延(MBE)等工业化
研发和生产工具。为了完成化合物半导体器件的生长，操作者需要提前告诉设备在规定的
时间内该“做什么”，即材料生长程序。材料生长程序通常包含三部分：1、初始化过程：包含
设备运行前的状态检查以及由闲置状态调节到材料生长状态；2、材料生长过程：包含根据
器件结构明确了不同层化合物半导体材料的生长顺序和每一层材料的表面动力学反应参
数，即生长参数，通常这些生长参数包含生长时间、生长温度、组成化合物半导体材料的各
种成分载体(所谓的源)的量及流速、生长腔室真空度以及不同层之间切换时各种源的开关
顺序延迟时间温度升降速率等参数；3、结尾恢复过程：包含各环节子设备的关闭和设备恢
复到闲置状态。除了这三个标准过程，生长程序还包含一些设备控制参数，比如生长氛围、
各环节的检测、温度稳定性保证、腔室真空度的稳定性保证等。当前商业化的化合物半导体
材料生长设备已经制定了完善的语法使得生长程序具有固定的格式。
随着化合物半导体器件结构越来越复杂，数值分析变得越来越重要，通过数值分
析可以观察结构中不同参数变化对最终器件性能的影响，从而省却了大量试验成本，同时
也为性能优化指出了方向。数值仿真分析软件需要读取所谓的器件结构描述文件，包含化
合物半导体器件几何特征、物理特征、数值特征，即结构文件，其中几何特征由器件工艺决
定，物理特征基本由生长过程决定，数值特征由数值仿真分析的控制参数决定通常化合物
半导体器件的数值仿真分析过程为，先是生长单层材料，测试该单层材料的物理特性参数，
主要包含能带参数、电学参数、缺陷电子学参数、光学参数等，将这些测试得到的参数储存
在一个文件中，其次按照生长程序编写结构文件，同时将各层材料测试参数按照一定格式
输入到结构文件中，最后数值仿真分析软件读取结构文件进行数值分析。目前所有的数值
仿真分析软件都是采用这种思路。这里存在如下几个缺点：1、将测试参数文件转换成结构
文件时极其容易出现格式或项错误；2、生成的结构文件比较大，检查各层参数非常繁复，容
易错漏；3、如果生长程序发生变化，需要重新编写结构文件，费时费力；4、结构文件的维护
性、可继承性比较差；5、器件生长的原位数值仿真分析无法实现。
发明内容
本发明提供一种将化合物半导体器件生长程序转换成数值仿真分析软件用器件
结构描述文件的方法，极大地提高了器件结构文件生成的便利性、可靠性、可维护性，同时
使得原位分析得以进行，可以应用在各种化合物半导体器件结构的数值模拟与分析中。
为了达到上述目的，本发明提供一种对化合物半导体器件生长程序的文件转换方
法，包含以下步骤：
步骤S1、建立化合物半导体器件生长程序所涉及的各个半导体材料层的参数库，
以参数文件语法规则存储各层半导体材料的参数库形成各个半导体材料层的参数文件，对
参数文件编号形成参数库索引文件；
步骤S2、建立化合物半导体器件生长程序中不同过程的读取语法规则，通过该读
取语法规则分析化合物半导体器件生长程序中材料生长层的参数状态，生成各个半导体材
料层的特征说明对象，搜索参数库索引文件并将参数文件读取到器件结构描述文件中；
步骤S3、读取并分析工艺文件，根据工艺文件信息确定外界施加工作条件的方向，
将工艺文件中的器件几何特征与工作条件直接附加在器件结构描述文件中；
步骤S4、读取并分析器件结构附加说明文件，根据附加说明文件特征确定各附加
物理对象的位置、特征等，并将相关特征按照固定语法规则附加在器件结构描述文件中；
步骤S5、读取并分析器件结构数值特征说明文件，根据数值分特征说明文件特征
确定数值分析的控制参数等，并将相关特征按照固定语法规则附加在器件结构描述文件
中；
步骤S6、确定所读取的器件结构描述文件的输出语法规则，将器件结构描述文件
输出成数值仿真分析软件容易读取的文件。
所述的参数库对应数值仿真分析软件中主导载流子输运特性的偏微分方程组涉
及的物理对象中所包含的参数，所述的物理对象中所包含的参数包含以下四类：
1、能带参数，包含介电常数、能带宽度、导带/价带带边态密度、自发辐射系数、
Auger复合系数、离化系数；
2、电学参数，包含迁移率、电导率；
3、缺陷参数，包含缺陷类型、缺陷数目、缺陷电子学参数；其中，所述的缺陷类型是
指表面/体内、离散/连续分布；所述的缺陷电子学参数包含缺陷的坐标空间分布函数、能量
空间分布函数、缺陷物理特征参数；所述的缺陷物理特征参数存在两种表述形式：a、动力学
参数，包含能级位置、缺陷浓度、电子/空穴俘获截面、能级简并度；b、复合模型参数，包含能
级位置、电子/空穴复合寿命；
4、异质结界面与表面参数，包含两种不同的化合物半导体材料的界面缺陷特性和
材料表面特性；
所述的参数文件语法规则包含材料层的各物理对象描述的语法规则，以及异质结
界面与表面物理对象描述的语法规则；
所述的参数文件中关于材料层的各物理对象描述的语法规则为：
能带参数、电学参数、缺陷参数的语法规则均为[参数类型]参数名字：{花括号内
成员变量说明}，具体如下：
![]()
![]()
所述的参数文件中关于异质结与表面物理对象描述的语法规则为：
1、异质结，取两边材料名字，中间用？连接；
2、表面，取材料名字附加O表示。
所述的参数库索引文件中的参数文件索引语法规则为：各个半导体材料层的参数
文件编号：以固定的语法规则描述材料层基本特征的属性说明；
所述的以固定的语法规则描述材料层基本特征的属性说明的语法规则为：按照字
母顺序的材料组成原子_与组成原子相对应的三位组分_掺杂种类及数目_掺杂特性_掺杂
浓度_附加说明。
所述的步骤S2中，生成各个半导体材料层的读取语法规则的方法具体包含：
步骤S21-1、生成生长过程所涉及到的所有的源及参数状态的双布尔变量数组；
所述的参数状态包含开关状态和变化状态；
步骤S21-2、生成一个储存所分析的生长程序的半导体材料层名字的特征说明对
象，该特征说明对象中至少要包含材料层名字和指针部分，材料层名字用于存储半导体材
料层的名称，指针部分用于指向相邻层；
步骤S21-3、在化合物半导体器件生长程序中，根据双布尔变量数组中参数状态的
变化，利用参数文件索引语法规则分析获取各个半导体材料层的名称存储在特征说明对象
中。
所述的特征说明对象采用双向链表，该双向链表包含：双向指针和材料层名字。
所述的步骤S2中，搜索参数库索引文件并将参数文件读取到器件结构描述文件中
的方法包含：
步骤S22-1、搜索参数库索引文件，将参数库索引文件中材料层基本特征的属性说
明与特征说明对象中的材料层名称一致的参数文件读取到器件结构描述文件中；
步骤S22-2、根据特征说明对象中的材料层名称，搜索异质结界面与表面参数文
件，将搜索结果保存在特征说明对象中，按照特征说明对象的指针部分的指向顺序将异质
结界面和表面参数文件读入到器件结构描述文件中。
所述的步骤S3中，工艺文件包含：在器件制备过程中所产生同时又是数值仿真分
析软件所需要的参数，包含器件各表面类型参数、工艺制备过程所定义的物理区域几何尺
寸参数；
所述的器件各表面类型参数的语法规则与步骤S2中的参数文件语法规则一致；
所述的物理区域几何尺寸的语法规则为：尺寸大小加各组成单元空间相对位置，
按照从左上向右向下的顺序依次编号，定义一含有每个方向邻接单元编号的复合数据类
型，该复合数据类型包含区域类型，几何尺寸，邻接单元编号，各表面类型。
所述的步骤S4中，器件结构附加说明文件的语法规则为：
![]()
![]()
所述的步骤S5中，器件结构数值特征说明文件包含：器件物理区域的网格产生特
征、器件所涉及的半导体偏微分方程组的离散方法、所得到的非线性方程组的求解方法、解
的精度控制参数；
所述的器件结构数值特征说明文件的语法规则为：
[网格产生]：
{
[类型]：
[控制参数]：
}
[离散方法]：有限元？有限差分？有限体积；
[求解方法]：
{
[线性方程组求解方法]：迭代？直接分解；
[偏微分组求解属性]：依次求解？耦合求解；
}
[精度控制]：
{
[内循环求解]：最大求解次数＝，精度控制参数＝；
[外循环求解]：最大求解次数＝，精度控制参数＝；
}
所述的步骤S6中，输出语法规则的特征是直接将器件结构描述文件的各物理现象
子参数以固定格式输出。
本发明按照一定的语法规则分别读取生长程序文件与各层材料参数文件，同时结
合预设的工艺文件与数值仿真分析控制参数生成适合数值仿真分析软件的专属文件，极大
地提高了器件结构文件生成的便利性、可靠性、可维护性，同时使得原位分析得以进行，可
以应用在各种化合物半导体器件结构的数值模拟与分析中，诸如多结太阳电池、微波器件、
光电探测器、激光器等。
附图说明
图1是本发明提供的一种将化合物半导体器件生长程序转换成数值仿真分析软件
用器件结构描述文件的方法的流程图。
图2是双向链表的数据结构。
图3是双向链表中的双向指针指向示意图。
图4是物理区域几何尺寸大小加各组成单元空间相对位置的方式描述。
图5是复合数据类型的结构示意图。
图6是本发明的一个实施例中的化合物半导体器件的结构示意图。
图7是本发明的另一个实施例中的化合物半导体器件的结构示意图。
具体实施方式
以下根据图1～图7，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种将化合物半导体器件生长程序转换成数值仿真分析
软件用器件结构描述文件的方法，包含以下步骤：
步骤S1、建立化合物半导体器件生长程序所涉及的各个半导体材料层的参数库，
以参数文件语法规则存储各层半导体材料的参数库形成各个半导体材料层的参数文件，对
参数文件编号形成参数库索引文件。
本实施例中，通过理论计算或者实验测试建立化合物半导体器件生长程序所涉及
的各层半导体材料的参数库。
所述的参数库对应数值仿真分析软件中主导载流子输运特性的偏微分方程组涉
及的物理对象中所包含的参数，所述的物理对象中所包含的参数包含以下四类：
1、能带参数，主要包含介电常数、能带宽度、导带/价带带边态密度、自发辐射系
数、Auger复合系数、离化系数等；
2、电学参数，主要包含迁移率、电导率等；
3、缺陷参数，主要包含缺陷类型、缺陷数目、缺陷电子学参数等；
其中，所述的缺陷类型是指表面/体内、离散/连续分布等；
所述的缺陷电子学参数包含缺陷的坐标空间分布函数、能量空间分布函数、缺陷
物理特征参数；
所述的缺陷物理特征参数存在两种表述形式：
a、动力学参数，主要包含能级位置、缺陷浓度、电子/空穴俘获截面、能级简并度
等；
b、复合模型参数，主要包含能级位置、电子/空穴复合寿命等；
4、异质结界面与表面参数，主要包含两种不同的化合物半导体材料的界面缺陷特
性和材料表面特性；
所述的界面缺陷特性与缺陷参数的组成和描述形式一致。
所述的参数库索引文件中的参数文件索引语法规则为：各个半导体材料层的参数
文件编号：以固定的语法规则描述材料层基本特征的属性说明。
所述的以固定的语法规则描述材料层基本特征的属性说明的语法规则为：按照字
母顺序的材料组成原子_与组成原子相对应的三位组分_掺杂种类及数目_掺杂特性_掺杂
浓度_附加说明。
本实施例中，700℃生长的施主浓度为5E17cm-3的Ga0.5In0.5P，其材料生长层的编号
为7，则该Ga0.5In0.5P层的属性说明为：gainp_050050000_a1_const_5e17_700deg，其参数文
件索引语法规则为：7：gainp_050050000_a1_const_5e17_700deg。
所述的参数文件语法规则包含材料层的各物理对象描述的语法规则，以及异质结
界面与表面物理对象描述的语法规则。
所述的参数文件中关于材料层的各物理对象描述的语法规则为：
能带参数、电学参数、缺陷参数的语法规则均为[参数类型]参数名字：{花括号内
成员变量说明}，具体如下：
![]()
![]()
所述的参数文件中关于异质结与表面物理对象描述的语法规则为：
1、异质结，取两边材料名字，中间用？连接；
2、表面，取材料名字附加O表示。
步骤S2、建立化合物半导体器件生长程序中不同过程的读取语法规则，通过该读
取语法规则分析化合物半导体器件生长程序中材料生长层的参数状态，生成各个半导体材
料层的特征说明对象，搜索参数库索引文件并将参数文件读取到器件结构描述文件中。
所述的生成各个半导体材料层的读取语法规则的方法具体包含：
步骤S21-1、生成生长过程所涉及到的所有的源及参数状态的双布尔变量数组；
如图表1所示，是一个GaInP/GaAs双结电池的生长所用的源及参数状态的双布尔
变量数组；
![]()
![]()
所述的参数状态包含开关状态和变化状态，该双布尔变量数组的初始设置全部为
假(F)，对于材料生长过程的每个时间层，如果表1中X源(标号为1～15的源)开则将开关状
态布尔变量设置为真(T)，如果关闭则将开关状态布尔变量设置为F，如果X源的属性发生变
化，则将变化状态布尔变量设置为原先值的否定值(比如原先是F，就变T，原先是T就变F)，
之所以存在变化状态布尔变量是为了区别同一种材料采用不同的生长条件制备；
步骤S21-2、如图2所示，生成一个储存所分析的生长程序的半导体材料层名字的
特征说明对象；
所述的特征说明对象中至少要包含材料层名字和指针部分，所述的特征说明对象
主要由双向链表组成；
所述的双向链表包含：双向指针和材料层名字，其中，双向指针用于指向相邻层，
材料层名字用于存储半导体材料层的名称；
步骤S21-3、在化合物半导体器件生长程序中，根据双布尔变量数组中参数的变
化，分析获取各个半导体材料层的名称存储在特征说明对象中；
从第一个材料生长时间段开始，如果前进到下一个时间段时，某一个源的布尔变
量发生变化，就认为两个时间段内的时间累积为一材料生长层，分析时间间隔内的源种类、
流量、生长温度得到材料组分、掺杂特性、生长温度等特征，进而根据步骤S1中参数文件索
引语法规则获得该材料层名称并储存在双向链表中；
分析过程中，忽略生长程序中初始化过程部分，对于初始化过程中，只由某些辅助
源而不含有化合物源的开关，因此很容易将材料生长层与初始化过程分离出来；
在一个实施例中，金属有机气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)生长程序中，材
料生长程序中材料生长层的表达形式往往具有如下语法表达特征：[生长时间(单位为秒)]
“名字”，X源打开/关闭，X源按照一定函数分布变化，例如：AIXTRON公司的设备中表达40秒
生长线性掺Si的GaInP为：
[10*4.0]"H_emitter_GaInP",
TMGa_2.run＝open,TMIn_2.run＝open,SiH4_1.run＝open,
SiH4_1.inject to 20。
所述的搜索参数库索引文件并将参数文件读取到器件结构描述文件中的方法包
含：
步骤S22-1、搜索参数库索引文件，将参数库索引文件中材料层基本特征的属性说
明与特征说明对象中的材料层名称一致的参数文件读取到器件结构描述文件中；
步骤S22-2、根据特征说明对象中的材料层名称，搜索异质结界面与表面参数文
件，将搜索结果保存在特征说明对象中，按照特征说明对象的指针部分的指向顺序将异质
结界面和表面参数文件读入到器件结构描述文件中；
如图3所示，所述的双向链表的维数为材料生长层数目，如果搜索到与该材料本身
及邻近材料相符的异质结界面或表面，则将指针指向异质结界面参数文件或表面参数文
件。
步骤S3、读取并分析工艺文件，根据工艺文件信息确定外界施加工作条件的方向，
将工艺文件中的器件几何特征与工作条件直接附加在器件结构描述文件中。
所述的工艺文件包含：在器件制备过程中所产生同时又是数值仿真分析软件所需
要的参数，主要包含器件各表面类型参数、工艺制备过程所定义的物理区域几何尺寸等参
数；
所述的器件各表面类型参数的语法规则与步骤S2中的参数文件语法规则一致；
所述的物理区域几何尺寸的语法规则为：尺寸大小加各组成单元空间相对位置，
如图4所示，按照从左上向右向下的顺序依次编号，如图5所示，定义一含有每个方向邻接单
元编号的复合数据类型，该复合数据类型还包含区域类型，几何尺寸，邻接单元编号，各表
面类型等组员；
在一个实施例中，以四方形为例，物理区域几何尺寸的语法规则为：
![]()
![]()
步骤S4、读取并分析器件结构附加说明文件，根据附加说明文件特征确定各附加
物理对象的位置、特征等，并将相关特征按照固定语法规则附加在器件结构描述文件中。
许多化合物半导体器件结构附加一些诸如光学结构，例如多结太阳电池会在器件
太阳光入射方向增加数层由介质材料所组成的减反射膜，需要定义附加结构本身的属性及
与器件物理区域的相对位置关系。
所述的器件结构附加说明文件的语法规则为：
![]()
步骤S5、读取并分析器件结构数值特征说明文件，根据数值分特征说明文件特征
确定数值分析的控制参数等，并将相关特征按照固定语法规则附加在器件结构描述文件
中。
所述的器件结构数值特征说明文件包含：器件物理区域的网格产生特征、器件所
涉及的半导体偏微分方程组的离散方法、所得到的非线性方程组的求解方法、解的精度控
制参数等。
所述的器件结构数值特征说明文件的语法规则为：
![]()
步骤S6、确定所读取的器件结构描述文件的输出语法规则，将器件结构描述文件
输出成数值仿真分析软件容易读取的文件。
数值仿真分析软件的专属文件是直接面向偏微分方程组所涉及的物理现象，基本
特征不要判断处理各物理对象的未确定特征，也不再采用参数赋值的方式，因此在整合数
值仿真分析软件的专属文件时，输出语法规则的特征是直接将上述的器件结构描述文件的
各物理现象子参数以固定格式输出，例如缺陷类型的输出语法规则为：
[缺陷类型1]：
函数类型表达式数组维数表达式系数数组(对应空间分布函数)。
函数类型表达式数组维数表达式系数数组(对应能量分布函数)。
电子寿命缺陷等效浓度空穴浓度缺陷等效浓度(对应复合能级模
型参数)。
实施例1
如图6所示，以GaInP/GaAs双结太阳电池为例，其包含n型GaAs衬底71，GaAs缓冲层
72，AlGaAs背场73，GaAs基区74，GaInP发射区75，AlInP窗口层76，GaInP n++掺杂层77，
AlGaAs p++掺杂层78，AlGaInP背场79，AlGaInP基区710，GaInP发射区711，AlInP窗口层
712，GaAs帽子层713。该结构采用低压金属有机物化学气相沉积设备AIXTRON 2600G3在n型
GaAs衬底上71生长。本发明先通过仪器测试了各材料层的物理对象参数，并形成了参数文
件与参数库索引文件，之后依据生长程序读取语法规则获得各材料层的特征说明并建立与
参数库索引文件的关联关系，读取相应参数文件数据，然后读取各种附加特征，最后按照固
定格式输出数值仿真分析软件的专属文件。
实施例2
如图7所示，以2D电子迁移率晶体管为例，其包含源电极81，栅电极82，漏电极83，
上垒层84，沟道层85，下垒层86以及衬底层87。该结构采用低压金属有机物化学气相沉积设
备AIXTRON 2600G3在半绝缘型GaAs衬底上生长。其中源电极81和漏电极83的金属半导体接
触类型为欧姆型，而栅电极82的金属半导体接触类型为肖特基型，上垒层84中含有面掺杂。
本发明先通过仪器测试了各材料层的物理对象参数，并形成了参数文件与参数库索引文
件，之后依据生长程序读取语法规则获得各材料层特征说明并建立与参数库索引文件的关
联关系，读取相应参数文件数据，然后读取各种附加特征，其中工艺文件属性明确了源电极
81，栅电极82，漏电极83，上垒层84的几何尺寸与关联关系，最后按照固定格式输出数值仿
真分析软件的专属文件。
本发明按照一定的语法规则分别读取生长程序文件与各层材料参数文件，同时结
合预设的工艺文件与数值仿真分析控制参数生成适合数值仿真分析软件的专属文件，极大
地提高了器件结构文件生成的便利性、可靠性、可维护性，同时使得原位分析得以进行，可
以应用在各种化合物半导体器件结构的数值模拟与分析中，诸如多结太阳电池、微波器件、
光电探测器、激光器等。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的
描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的
多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。