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GaN的MOVPE生长中表面吸附和扩散研究

发布时间:2020-07-11 06:49
【摘要】:GaN是重要的宽禁带化合物半导体材料,广泛应用于制备蓝光LED、半导体激光器和高频大功率半导体器件。了解GaN的表面反应机理,对于提高GaN薄膜生长质量至关重要。本文采用基于DFT理论的量子化学计算,针对MOVPE生长GaN(0001)-Ga面的吸附和扩散进行研究。论文主要结论如下:(1)Ga(NH_2)_3、MMG(NH_2)_2、DMGNH_2在理想GaN(0001)表面均以分子形式吸附,每种粒子均有几种不同的吸附构型。三种粒子相比,Ga(NH_2)_3最容易在表面吸附,DMGNH_2最难吸附。与NH_3相比,上述三种粒子均更容易吸附;与MMG相比,Ga(NH_2)_3更容易吸附,DMGNH_2则更难吸附。(2)在理想表面,N和NH吸附粒子均有两个吸附位:H3位和T4位。N在理想表面的迁移较困难,而NH迁移较容易;NH_2和NH_3均只有一个吸附位,分别是Br位和Top位,NH_2的迁移比较容易,而NH_3的迁移相对较难。Ga和MMG在理想表面均有两个吸附位:H3位和T4位。Ga原子容易在不同吸附位之间迁移,而MMG容易在H3位之间迁移。(3)在H覆盖表面,N、NH、NH_2各自均只有一种吸附结构,主要通过吸附粒子的N取代表面覆盖的H,与最近邻的表面Ga成键而吸附。表面覆盖的H不利于含N粒子吸附和扩散和Ga原子的吸附,但会有利于Ga的迁移,从而促进GaN的二维生长。(4)Ga原子和MMG在台阶处均有两种成键结构:与台阶近邻原子生成两个Ga-Ga键、一个Ga-N键,或生成两个Ga-N键、一个Ga-Ga键,前者结构更稳定;NH_3、NH_2、DMGNH_2和H_2在台阶处均有两种吸附构型:分子吸附和分解吸附。NH_3容易发生分子吸附,NH_2和DMGNH_2更容易发生分解吸附,NH_2比NH_3更容易吸附在台阶;H_2的分子吸附属于物理吸附。DMGNH_2、MMG、NH_3吸附在台阶处比理想表面容易,而H_2与之相反。(5)将主要计算结果与前人的研究结果对比:Ga(NH_2)_3、MMG(NH_2)_2、DMGNH_2在GaN(0001)理想平台的吸附能规律相同,但有更多的吸附构型,对应不同的吸附能;Ga原子的表面迁移路径与前人的研究结果吻合,Ga原子和NH的表面迁移性好,而N原子在理想表面的迁移较困难,可能成为形核中心,这些结论均与前人的研究结果吻合。
【学位授予单位】:江苏大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:O614.371
【图文】:

纤锌矿,闪锌矿


绿、紫发光二极管(LED),蓝、紫色半导体激光器(LD),化合物半导体薄膜太阳电池以及高频大功率微电子器件等领域有着广泛的应用潜力和市场前景。GaN、金刚石、SiC 等,是继 Si、Ge 元素半导体和 GaAs、InP 化合物半导体后的第三代半导体材料,是目前半导体材料研究的前沿和热点。GaN 具有三种不同的晶体结构,绝大多数工况下以稳定的纤锌矿结构(Wurtzite structure,六方相)或亚稳定的闪锌矿结构(Zinc blende structure,立方相)存在,在高压下还可能出现岩盐矿结构(Rock Salt structure,立方相)。在 GaN 中,每个 Ga 与四个近邻的 N 成键,每个 N 与四个近邻的 Ga 成键。闪锌矿的结构为面心立方点阵,空间群 F43m;纤锌矿的结构为六角对称结构,空间群 P63mc。两种结构 GaN 如图 1.1 所示。因纤锌矿比闪锌矿更稳定,故本文研究纤锌矿 GaN。在晶胞(0001)方向上,Ga 与 N 呈 Ga-N-Ga-N 交错分布,第一层原子和第四层原子互相对齐。

半导体薄膜,步骤


长半导体薄膜材料一般通过外延的生长方式实现,外延生长是指在衬与衬底的晶向完全一致的单晶层,就像晶体向外延长了一段。该方法晶层的生长厚度,且在导电性能方面与衬底不同,故可极大地改善器目前,人类已发展了液相外延(LPE)、分子束外延(MBE)、化学CBE)和气相外延(VPE)等多种外延方法。 属 有 机 化 学 气 相 外 延 ( Metalorganic Vapor Phase Epitaxy , 简 E)属于气相外延,是生长物质从气体向固体转移的过程。含外延膜组体被载气输送至外延面,气体分子受热分解、扩散并参与化学反应,子沉积,并按晶体结构排列,这就长成了外延膜。GaN 薄膜的制备主II 族的 Ga(CH3)3(简写为 TMG)和 V 族的 NH3作为反应源气体,由载输运到衬底上方,在高温环境下发生表面反应,实现 GaN 的外延生长化学反应如下:a(CH3)3(V)+ NH3(V)→ GaN(S)+ 3CH4(V)

气相反应,反应路径,加合反应


图 1.3 气相反应两条反应路径Fig. 1.3 Two reaction paths of gas phase reaction)热解反应:高温下,TMG 和 NH3进入反应室后发生热分解。TM去两个甲基(CH3),形成单甲基镓 GaCH3(MMG)。MMG 在解,通常认为 MMG 为薄膜生长的主要前体之一。相比于 TMG,依赖于温度、压力与停留时间[6]。只有温度足够高(>800℃)的量 NH3分解。N2非常稳定,不能作为生长 GaN 的 N 源,NH3会的 CH3反应生成 CH4和 NH2,也可能与 H 反应生成 H2、NH2,N 表面生长。)加合反应:TMG、NH3发生加合反应生成 TMG:NH3,加合物脱CH4形成氨基物 Ga(CH3)2NH2(简写为 DMGNH2)。关于 DMGN的反应,可能沉积到衬底表面,也可能就在气相中生成聚合物

【参考文献】

相关期刊论文 前6条

1 张子英;杨德林;刘云虎;曹海滨;邵建新;井群;;BaTiO_3的电子结构和光学性质(英文)[J];物理化学学报;2009年09期

2 胡春丽;陈勇;李俊{

本文编号:2750092


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