MOCVD生长AlGaN反应机理的量子化学计算研究
发布时间：2023-04-01 14:09
Ⅲ族氮化物半导体材料AlGaN,是制备紫外和深紫外微电子及光电器件的基础,受到广泛关注。金属有机化学气相沉积(MOCVD)是生长AlGaN薄膜的重要方法,主要包括气体输运、气相反应和表面反应三个阶段。但要高效生长高质量的AlGaN薄膜依然很困难。气相反应和表面反应是薄膜生长的关键步骤,目前存在的问题无疑都与这二者有关。因此,深入理解反应机理并构建完整的反应路径可为优化生长提供理论指导,这具有重要的科学意义和实用价值。本文先全面详细地综述了近30年来国内外关于MOCVD生长AlGaN的研究现状,发现目前还存在薄膜生长速率低、薄膜中Al组分低、高Al组分AlGaN的p型掺杂困难和薄膜表面形貌差等问题。然后对影响薄膜生长的关键因素反应机理进行研究,具体采用了量子化学理论,并结合化学反应动力学、热力学理论对气相和表面反应机理进行分析。本文的主要工作和成果归纳如下:(1)计算研究了MOCVD生长AlGaN气相过程中的低聚反应路径,分析得到低聚物的最终稳定产物。研究结果修正了前人的观点,本文认为纯粹的气相AlN/GaN分子理论上不会由聚合反应路径产生。此外发现:铝氨基物((CH3
【文章页数】：226 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号表
第一章 绪论
1.1 背景概述
1.1.1 AlGaN材料的性质与应用
1.1.2 MOCVD原理及系统
1.2 AlGaN生长的气相反应机理及实验研究现状
1.2.1 操作参数对生长影响的研究
1.2.2 纳米粒子形成机理的研究
1.2.3 AlGaN的 p型掺杂研究
1.2.4 反应器结构对生长影响的研究
1.3 AlGaN的结构及表面反应研究现状
1.3.1 体相结构及稳定性研究
1.3.2 表面再构及稳定性研究
1.3.3 表面反应研究
1.4 目前存在的问题
1.5 本文的主要研究内容
第二章 量子化学理论及应用
2.1 多粒子体系的第一性原理
2.1.1 Schr?dinger方程
2.1.2 Born-Oppenheimer近似
2.1.3 Hartree-Fock近似
2.1.4 平均场近似
2.2 密度泛函理论
2.2.1 Hohenberg-Kohn定理
2.2.2 Kohn-Sham方程
2.2.3 局域密度近似和广义梯度近似
2.3 平面波赝势方法
2.3.1 周期性边界条件
2.3.2 基函数和赝势
2.4 量子化学在反应机理研究中的应用
2.4.1 Gibbs自由能和反应速率常数的计算
2.4.2 晶体结合能和形成焓的计算
2.4.3 表面形成能和粒子吸附能的计算
2.5 软件介绍
2.5.1 Gaussian简介
2.5.2 Castep简介
2.6 小结
第三章 氨基物的气相低聚反应研究
3.1 计算方法与校核
3.2 氨基物的低聚反应
3.2.1 氨基物的二聚反应
3.2.2 氨基物的三聚反应
3.3 低聚物的甲烷消去反应
3.3.1 低聚物分子内甲烷消去反应
3.3.2 低聚物与氨气分子间甲烷消去反应
3.4 小结
第四章 气相纳米粒子的形核机理研究
4.1 计算方法与校核
4.2 对前人提出的纳米粒子成核机理的验证
4.3 纳米粒子的形核反应
4.3.1 [MMXNH]n(n=2或3)的自聚合反应
4.3.2 [MMXNH]n与 DMXNH2间的聚合反应
4.3.3 [MMXNH]3与DMXNH2、NH2间的聚合反应
4.3.4 X(NH2)3 自聚合反应
4.4 纳米颗粒核的可能前体判断
4.5 小结
第五章 掺杂剂的气相反应机理研究
5.1 计算方法与校核
5.2 p型掺杂剂Cp2Mg的气相反应
5.2.1 加合反应路径(G5.1
G5.3)
5.2.2 自分解反应路径(G5.4和G5.5)
5.2.3 氢解反应路径(G5.6
G5.16)
5.2.4 氨解反应路径(G5.17G5.26)
5.2.5 反应路径对比及实验验证
5.3 n型掺杂剂SiH4的气相反应
5.3.1 SiH4与NH3分子间H2消去反应
5.3.2 SiH4 的分解反应
5.4 小结
第六章 AlGaN体相及表面的稳定性研究
6.1 AlGaN体相稳定性研究
6.1.1 计算方法与校核
6.1.2 原子占位对AlGaN稳定性的影响
6.1.3 Al组分对AlGaN稳定性的影响
6.1.4 Al组分及p型掺杂对AlGaN稳定性的影响
6.1.5 Al组分及n型掺杂对AlGaN稳定性的影响
6.2 AlGaN表面稳定性研究
6.2.1 计算方法与校核
6.2.2 覆盖物质对GaN/AlN(0001)面稳定性的影响
6.2.3 Al组分对AlGaN(0001)面稳定性的影响
6.2.4 Al组分对AlGaN(000(?))面稳定性的影响
6.3 小结
第七章 前体在NH2-AlxGa1-xN(0001)面的表面反应研究
7.1 计算方法与校核
7.2 Al组分对Ⅲ族前体表面反应的影响
7.2.1 Ga原子与MMGa的吸附和扩散
7.2.2 Al原子与MMAl的吸附和扩散
7.2.3 含Ga与含Al前体表面反应的对比
7.3 Al组分对掺杂前体表面反应的影响
7.3.1 p型掺杂前体Mg原子的吸附和扩散
7.3.2 n型掺杂前体Si原子与SiH2的吸附和扩散
7.3.3 p型与n型掺杂前体表面反应的对比
7.4 小结
第八章 总结和展望
8.1 总结
8.2 展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文
本文编号：3777281
【文章页数】：226 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号表
第一章 绪论
1.1 背景概述
1.1.1 AlGaN材料的性质与应用
1.1.2 MOCVD原理及系统
1.2 AlGaN生长的气相反应机理及实验研究现状
1.2.1 操作参数对生长影响的研究
1.2.2 纳米粒子形成机理的研究
1.2.3 AlGaN的 p型掺杂研究
1.2.4 反应器结构对生长影响的研究
1.3 AlGaN的结构及表面反应研究现状
1.3.1 体相结构及稳定性研究
1.3.2 表面再构及稳定性研究
1.3.3 表面反应研究
1.4 目前存在的问题
1.5 本文的主要研究内容
第二章 量子化学理论及应用
2.1 多粒子体系的第一性原理
2.1.1 Schr?dinger方程
2.1.2 Born-Oppenheimer近似
2.1.3 Hartree-Fock近似
2.1.4 平均场近似
2.2 密度泛函理论
2.2.1 Hohenberg-Kohn定理
2.2.2 Kohn-Sham方程
2.2.3 局域密度近似和广义梯度近似
2.3 平面波赝势方法
2.3.1 周期性边界条件
2.3.2 基函数和赝势
2.4 量子化学在反应机理研究中的应用
2.4.1 Gibbs自由能和反应速率常数的计算
2.4.2 晶体结合能和形成焓的计算
2.4.3 表面形成能和粒子吸附能的计算
2.5 软件介绍
2.5.1 Gaussian简介
2.5.2 Castep简介
2.6 小结
第三章 氨基物的气相低聚反应研究
3.1 计算方法与校核
3.2 氨基物的低聚反应
3.2.1 氨基物的二聚反应
3.2.2 氨基物的三聚反应
3.3 低聚物的甲烷消去反应
3.3.1 低聚物分子内甲烷消去反应
3.3.2 低聚物与氨气分子间甲烷消去反应
3.4 小结
第四章 气相纳米粒子的形核机理研究
4.1 计算方法与校核
4.2 对前人提出的纳米粒子成核机理的验证
4.3 纳米粒子的形核反应
4.3.1 [MMXNH]n(n=2或3)的自聚合反应
4.3.2 [MMXNH]n与 DMXNH2间的聚合反应
4.3.3 [MMXNH]3与DMXNH2、NH2间的聚合反应
4.3.4 X(NH2)3 自聚合反应
4.4 纳米颗粒核的可能前体判断
4.5 小结
第五章 掺杂剂的气相反应机理研究
5.1 计算方法与校核
5.2 p型掺杂剂Cp2Mg的气相反应
5.2.1 加合反应路径(G5.1
G5.3)
5.2.2 自分解反应路径(G5.4和G5.5)
5.2.3 氢解反应路径(G5.6
G5.16)
5.2.4 氨解反应路径(G5.17G5.26)
5.2.5 反应路径对比及实验验证
5.3 n型掺杂剂SiH4的气相反应
5.3.1 SiH4与NH3分子间H2消去反应
5.3.2 SiH4 的分解反应
5.4 小结
第六章 AlGaN体相及表面的稳定性研究
6.1 AlGaN体相稳定性研究
6.1.1 计算方法与校核
6.1.2 原子占位对AlGaN稳定性的影响
6.1.3 Al组分对AlGaN稳定性的影响
6.1.4 Al组分及p型掺杂对AlGaN稳定性的影响
6.1.5 Al组分及n型掺杂对AlGaN稳定性的影响
6.2 AlGaN表面稳定性研究
6.2.1 计算方法与校核
6.2.2 覆盖物质对GaN/AlN(0001)面稳定性的影响
6.2.3 Al组分对AlGaN(0001)面稳定性的影响
6.2.4 Al组分对AlGaN(000(?))面稳定性的影响
6.3 小结
第七章 前体在NH2-AlxGa1-xN(0001)面的表面反应研究
7.1 计算方法与校核
7.2 Al组分对Ⅲ族前体表面反应的影响
7.2.1 Ga原子与MMGa的吸附和扩散
7.2.2 Al原子与MMAl的吸附和扩散
7.2.3 含Ga与含Al前体表面反应的对比
7.3 Al组分对掺杂前体表面反应的影响
7.3.1 p型掺杂前体Mg原子的吸附和扩散
7.3.2 n型掺杂前体Si原子与SiH2的吸附和扩散
7.3.3 p型与n型掺杂前体表面反应的对比
7.4 小结
第八章 总结和展望
8.1 总结
8.2 展望
参考文献
致谢
攻读博士学位期间发表的学术论文
本文编号：3777281
本文链接：https://www.wllwen.com/guanlilunwen/gongchengguanli/3777281.html
