硅基氮化镓材料外延生长的第一性原理研究

发布时间：2020-04-07 11:58

【摘要】：GaN材料~([1])被誉为继硅材料后第二重要的半导体材料,已经广泛使用在发光二极管、场效应管等半导体器件上~([2])。GaN作为直接能隙的宽禁带半导体~([3]),具有非常大的优势。由于GaN没有同质衬底,它需要异质结外延生长在蓝宝石(Al_20_3)或者碳化硅(SiC)上~([4])。但是蓝宝石导热性能差,SiC制造成本较高。因此价格便宜,导电导热性能好、工业生产配套齐全的Si成了最有希望的衬底选择~([5])。由于Si与GaN会出现晶格失配和热失配,因此需要在Si基上外延生长GaN前生长AlN过渡层~([6])。研究报道~([7、8])表明在Si基外延生长AlN的过渡层前预铺铝层,可获得较高平整度的GaN,表面位错密度也明显降低。但是相关的具体理论机制还没有明确。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,通过VASP模拟计算Al原子分别在清洁、H化、Cl化的Si(100)及Si(111)表面的吸附位置及扩散能垒,以及Ga、In、N原子在相关表面的吸附行为。主要研究内容及研究成果如下:1、在不同方式处理的Si(100)表面,Al原子吸附的最稳定位置不同、扩散路径也不同:清洁Si(100)表面上,Al易于吸附在沟槽中,沿沟槽呈曲折状扩散;H化、Cl化的Si(100)表面上,Al易于吸附在二聚体列顶部的H位置,在二聚体列顶部沿直线扩散。2、不同方式处理的Si(111)表面,Al原子吸附的最稳定位置是相同的,扩散路径类似,均易吸附于第二层Si原子的Top位(T_2位点),沿T_2到H(空心位点)的路径扩散。3、无论是Si(100)还是Si(111)表面,H化、Cl化处理Si表面均有效降低Al原子的扩散势垒。4、Ga原子在清洁、H化、Cl化Si(111)表面的稳定吸附位置相同,均为T_2位点;In原子在清洁Si表面吸附的稳定位置为T_2位点,在H化或Cl化Si(111)表面稳定吸附的位点为H位点。H化或Cl化Si(111)表面均会有效的降低金属原子在Si(111)表面的吸附能,起到保护衬底的作用。5、N原子在清洁、H化、Cl化Si(111)表面吸附,均会破坏T_1和T_2位点的Si-Si键,使得Si(111)表面的Si的六元环发生畸变,破坏Si(111)表面的平整性。Si(111)表面是否钝化并不会使N和Si之间的相互作用减弱。因此在Si基氮化镓的生长中一定要在Si的表面预铺Al原子,阻止Si表面的氮化现象。
【图文】：

异质结外延,热失配,晶格失配,中间层

海师范大学硕士学位论文第 1生长表面位错密度过大的情况。由于在 Si 上生长的 GaN 与蓝宝石上aN 相比具有非常低的器件性能，因此需要提高晶体质量。利用 AlN 作是硅实现高质量生长 GaN 最有前途的方法之一[7,14,27,29]。近年来多次[7,16,30,31]，在高温 AlN 缓冲层生长前预沉积金属 Al 会使 Si 基 GaN 的整，极大的降低外延层表面的位错密度。因此 Si 表面预铺 Al 已经被高质量 Si 基 GaN 的关键步骤。

预铺,样本,横截面,原子

图 1-3 Si 基表面预铺铝的样本设置的示意横截道了在Si(111)衬底上长一层AlN的缓冲层然质量的 GaN 层。而为了防止硅表面被氮化Al 原子，GaN 晶体的质量和表面形态很大程原子预铺时间的增加，，GaN 薄膜的晶体质量人在 Si(111)表面生长 GaN，在 Si 衬底预铺
【学位授予单位】：上海师范大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN304

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