MOVPE生长GaN的表面反应研究

发布时间：2017-04-26 16:18

  本文关键词：MOVPE生长GaN的表面反应研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：GaN是一种极重要的III-V族直接带隙半导体材料,具有禁带宽、击穿电场高、电子迁移率高及抗辐射能力强等优点,广泛用于制备LED、半导体激光器以及高频大功率微电子器件。MOVPE是制备Ga N薄膜的主要方法。在MOVPE生长GaN薄膜过程中,H2和N2作为载气,以TMG和NH_3作为源气体。源气体在载气的携带下进入反应室,发生气相反应和表面反应。MOVPE的气相反应决定了薄膜生长速率和均匀性,而表面反应决定了薄膜的表面形貌和生长质量。对于表面反应,前人的研究主要针对c面GaN的MOVPE生长,考虑的表面反应吸附粒子主要为Ga原子和NH_3。而对于MOVPE中表面反应前体MMG和NH_3分子在非极性m面和a面GaN表面的吸附以及并入晶格的机理至今仍不清楚。采用基于DFT理论的CASTEP模块,构建非极性性m面和a面GaN表面超晶胞模型,对表面反应前体在表面的吸附进行优化计算。根据计算结果,分析吸附特性和成键情况。基于计算结果和分析,提出a面GaN薄膜生长机理。针对极性c面GaN生长模式和表面形成的岛,建立台阶模型,分析表面成岛原因,另外分析载气对表面形貌产生影响的原因。主要内容如下:1.优化计算MMG和NH_3在m面GaN表面不同的初始吸附位吸附,计算了MMG和NH_3在表面的吸附能、与近邻原子的距离、态密度、电荷密度分布、电子布居。在表面1×1周期里,MMG和NH_3均有一个最佳吸附位。MMG中的Ga原子与表面邻近的N原子、Ga原子分别形成Ga-N、Ga-Ga共价键。NH_3中的N原子与表面邻近的Ga原子形成N-Ga共价键。通过电荷分布情况和布居数,验证成键情况。H原子在m面GaN表面吸附在N原子上,形成N-H键。从能量角度,NH_3在表面吸附之后倾向于解离。2.优化计算MMG和NH_3在a面GaN表面不同的初始吸附位吸附,计算了MMG和NH_3在表面的吸附能、与近邻原子的距离、态密度、电荷密度分布、电子布居。在表面1×1周期里,MMG和NH_3均有两个最佳吸附位。吸附粒子与表面原子之间成键方式与在m面GaN表面上相同。3.根据表面反应前体MMG和NH_3在a面GaN表面的吸附特性及成键情况,将a面GaN表面反应归纳成4个反应方程式,并且提出a面GaN薄膜生长机理。在a面GaN生长表面覆盖着H原子,H原子吸附在表面N原子上。NH_3吸附到表面最佳吸附位,之后解离为NH2和H,H原子形成H2脱离表面。MMG吸附到表面,只与表面N原子之间成键,N原子上原有吸附的H原子形成H2脱离表面。MMG与相邻由解离得到的NH2之间成键,脱去CH4。从而生长出新的一层原子层,表面结构与初始表面结构一致。4.针对极性c面GaN表面形成的岛,将岛简化为台阶模型,发现吸附粒子在台阶上下吸附后总能量存在差值。随着台阶的增高,总能量差值增大。当总能量差值增大到一定程度,吸附粒子不再稳定地吸附在台阶上,即GaN表面岛的尺寸不再增大。不同生长条件下,形成岛的尺寸不同。载气中H2的占比影响表面H原子参与的反应,影响吸附粒子到表面的吸附,影响吸附粒子在台阶上下吸附后总能量的差值,使台阶高度不同,即影响GaN表面岛的大小和表面粗糙程度。
【关键词】：MOVPE GaN 吸附特性 生长机理
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304.23
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-24
• 1.1 GaN材料11-13
• 1.2 MOVPE原理13-15
• 1.3 GaN在MOVPE生长中的化学反应15-18
• 1.3.1 气相反应16-17
• 1.3.2 表面反应17-18
• 1.4 表面反应的国内外研究现状18-22
• 1.5 表面反应研究存在的问题22-23
• 1.6 研究目标和研究内容23-24
• 第二章 理论基础和计算方法24-31
• 2.1 密度泛函理论24-26
• 2.1.1 Thomas-Fermi模型24-25
• 2.1.2 Hohenberg - Kohn定理25
• 2.1.3 Kohn-Sham方程25-26
• 2.2 交换关联能求解近似方法26-27
• 2.2.1 局域密度近似26-27
• 2.2.2 广义梯度近似27
• 2.3 MS软件及CASTEP模块功能27-28
• 2.4 相关的化学与物理量定义28-31
• 2.4.1 吸附能28-29
• 2.4.2 电子态密度29-30
• 2.4.3 电荷密度图30-31
• 第三章 MOVPE生长m面GaN薄膜的表面吸附研究31-40
• 3.1 理论模型和方法31-33
• 3.2 GaCH3在m面GaN表面的吸附33-35
• 3.3 NH_3在m面GaN表面的吸附及解离35-36
• 3.4 吸附体系的电子结构36-38
• 3.5 小结38-40
• 第四章 MOVPE生长a面GaN薄膜的表面吸附研究40-48
• 4.1 理论模型和方法40-41
• 4.2 MMG在a面GaN表面的吸附41-43
• 4.3 NH_3在a面GaN表面的吸附及解离43-45
• 4.4 吸附体系的电子结构45-47
• 4.5 小结47-48
• 第五章 GaN薄膜生长机理48-57
• 5.1 a面GaN薄膜生长机理48-52
• 5.1.1 不同GaN表面对比48-50
• 5.1.2 a面GaN薄膜生长机理的提出50-52
• 5.2 c面GaN薄膜岛状生长机理52-55
• 5.3 小结55-57
• 第六章 全文总结与展望57-59
• 6.1 全文总结57-58
• 6.2 工作展望58-59
• 参考文献59-62
• 致谢62-63
• 攻读硕士学位期间发表的论文63

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本文编号：328803