MOVPE生长GaN的表面吸附和扩散研究
发布时间：2020-11-20 02:28
GaN是重要的宽禁带化合物半导体材料,广泛用于制备微电子器件和光电子器件,MOVPE是生长GaN薄膜的主要方法。了解GaN的表面反应机理,对于控制GaN的生长质量至关重要。本文基于密度泛函理论(DFT)的量子化学计算,针对MOVPE生长GaN薄膜的表面吸附和扩散进行研究,特别是针对GaN生长的主要反应前体Ga和GaCH_3在理想、H覆盖和NH_2覆盖的GaN(0001)表面的吸附和扩散过程,通过计算和比较吸附粒子在表面不同吸附位的几何结构、吸附能量以及表面扩散能垒,确定GaN薄膜生长的初始反应路径。首先,基于Material Studio软件Dmol3模块,构建GaN(0001)超晶胞模型,采用广义梯度近似GGA和PW91泛函相结合的方法进行验证;其次,分别对Ga和GaCH_3在三种不同覆盖面的不同吸附位的吸附能量、Mulliken电荷布局和分波态密度进行计算分析,揭示粒子在表面的吸附位和吸附成键原理;最后,根据Ga和GaCH_3在三种表面的稳定吸附位,采用LST/QST方法搜寻粒子在表面不同扩散路径下的扩散能垒。论文的主要结论如下:(1)Ga原子和单甲基镓GaCH_3均吸附在三种不同覆盖表面的T4位和H3位,并且粒子在NH_2覆盖表面的吸附能最大,在H覆盖表面的吸附能最小,在理想表面的吸附能介于中间。(2)通过对吸附粒子和表面粒子的电荷布居分析发现,Ga原子和GaCH_3吸附在NH_2覆盖GaN(0001)面时,电荷均从吸附粒子转移到了表面粒子,吸附后的Ga原子和GaCH_3略微带有正离子性,理想表面和H覆盖表面却恰好相反。(3)结合态密度分析发现,吸附的Ga原子和GaCH_3中Ga原子的4s、4p轨道均有不同程度的杂化现象(表面Ga原子的4s、4p,N原子的2s、2p也均有杂化现象),并且与表面近邻原子形成了带有离子性质的Ga-Ga、Ga-H和Ga-N共价键(键强关系:Ga-NGa-GaGa-H)。(4)Ga原子在NH_2覆盖GaN(0001)面上扩散能垒最大,因此表面过量的NH_2会抑制Ga原子的扩散。对于GaCH_3也有相同的结论。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TN304.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 GaN材料
1.2 GaN-MOVPE生长原理
1.3 GaN-MOVPE气相和表面反应
1.4 GaN表面反应的研究
1.5 存在的问题
1.6 本文研究目标和方法
第二章 理论基础和计算方法
2.1 表面反应理论基础
2.1.1 表面结构
2.1.2 表面吸附和扩散
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 交换相关能量泛函
2.3 Materials Studio软件及Dmol3模块功能
2.4 相关的化学与物理量定义
2.4.1 吸附能
2.4.2 Mulliken电荷布居
2.4.3 电子态密度
第三章 含Ga粒子在理想GaN（0001）表面的吸附和扩散研究
3.1 理论模型和计算方法
3.2 结果与讨论
3.2.1 Ga在理想GaN（0001）表面的吸附
3.2.2 MMG在理想GaN（0001）表面的吸附
3.2.3 Ga和MMG在GaN（0001）表面的扩散
3.3 小结
第四章 含Ga粒子在H覆盖GaN（0001）表面的吸附和扩散研究
4.1 理论模型和计算方法
4.2 结果与讨论
4.2.1 Ga在H覆盖GaN（0001）表面的吸附
4.2.2 MMG在H覆盖GaN（0001）表面的吸附
4.2.3 Ga和MMG在H覆盖GaN（0001）表面的扩散
4.3 小结
2覆盖GaN（0001）表面的吸附和扩散研究'>第五章 含Ga粒子在NH2覆盖GaN（0001）表面的吸附和扩散研究
5.1 理论模型和计算方法
5.2 结果与讨论
2覆盖GaN（0001）表面的吸附'> 5.2.1 Ga在NH2覆盖GaN（0001）表面的吸附
2覆盖GaN（0001）面的吸附'> 5.2.2 MMG在NH2覆盖GaN（0001）面的吸附
2覆盖GaN（0001）表面的扩散'> 5.2.3 Ga和MMG在NH2覆盖GaN（0001）表面的扩散
5.3 小结
第六章 全文总结与工作展望
6.1 全文总结
6.2 存在不足
6.3 工作展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表的学术论文
【参考文献】
本文编号：2890801
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TN304.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
1.1 GaN材料
1.2 GaN-MOVPE生长原理
1.3 GaN-MOVPE气相和表面反应
1.4 GaN表面反应的研究
1.5 存在的问题
1.6 本文研究目标和方法
第二章 理论基础和计算方法
2.1 表面反应理论基础
2.1.1 表面结构
2.1.2 表面吸附和扩散
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 交换相关能量泛函
2.3 Materials Studio软件及Dmol3模块功能
2.4 相关的化学与物理量定义
2.4.1 吸附能
2.4.2 Mulliken电荷布居
2.4.3 电子态密度
第三章 含Ga粒子在理想GaN（0001）表面的吸附和扩散研究
3.1 理论模型和计算方法
3.2 结果与讨论
3.2.1 Ga在理想GaN（0001）表面的吸附
3.2.2 MMG在理想GaN（0001）表面的吸附
3.2.3 Ga和MMG在GaN（0001）表面的扩散
3.3 小结
第四章 含Ga粒子在H覆盖GaN（0001）表面的吸附和扩散研究
4.1 理论模型和计算方法
4.2 结果与讨论
4.2.1 Ga在H覆盖GaN（0001）表面的吸附
4.2.2 MMG在H覆盖GaN（0001）表面的吸附
4.2.3 Ga和MMG在H覆盖GaN（0001）表面的扩散
4.3 小结
2覆盖GaN（0001）表面的吸附和扩散研究'>第五章 含Ga粒子在NH2覆盖GaN（0001）表面的吸附和扩散研究
5.1 理论模型和计算方法
5.2 结果与讨论
2覆盖GaN（0001）表面的吸附'> 5.2.1 Ga在NH2覆盖GaN（0001）表面的吸附
2覆盖GaN（0001）面的吸附'> 5.2.2 MMG在NH2覆盖GaN（0001）面的吸附
2覆盖GaN（0001）表面的扩散'> 5.2.3 Ga和MMG在NH2覆盖GaN（0001）表面的扩散
5.3 小结
第六章 全文总结与工作展望
6.1 全文总结
6.2 存在不足
6.3 工作展望
参考文献
致谢
攻读硕士学位期间发表的学术论文
【参考文献】
相关期刊论文 前2条
1 辛晓龙;左然;童玉珍;张国义;;MOVPE生长GaN的表面反应机理[J];发光学报;2015年07期
2 胡春丽;陈勇;李俊篯;;First-principles Calculations of H_2O Adsorption Reaction on the GaN(0001) Surface[J];结构化学;2009年02期
本文编号：2890801
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