基于碳杂质的氮化铝第一性原理研究

发布时间：2020-04-26 12:52

【摘要】：氮化铝(AlN)作为第三代半导体材料的典型代表,其优良的电学、光学等性能,使得AlN材料的应用变得十分广泛,但目前制备大尺寸、高质量的AlN体单晶材料仍是一大挑战。虽然,已有大量关于AlN掺杂性质的研究,但是,高效、稳定、可控的掺杂仍是现阶段的一个难题。这些都阻碍了AlN基新型器件的发展,造成这种局面的原因有以下两点。第一,现阶段的研究主要以软件仿真为主,考虑的是理想情况。因为,在AlN材料的实际制备过程中存在许多不可控因素,所以,得到的数据会与实验数据有一定的偏差。尽管如此,这些仿真数据仍是具有很大参考价值的,有它们作为研究基础,就可以节省大量的人力、物力。在仿真实验中一般选择32个原子或72个原子的AlN超晶胞模型作为研究对象,在单掺杂或共掺杂时,会将一个Al原子或N原子替换成相应的杂质原子,这种方式的掺杂与实际掺杂相比,掺杂浓度是偏高的,如若选择更大的超晶胞模型就需要付出更大的计算代价。第二,AlN制备过程中杂质原子的问题。目前,物理气相传输法(PVT)是制备高质量、大尺寸AlN晶体的最有效途径之一,也是使用较多的一种方法,但此种方法在制备过程中会有一些不可完全剔除的杂质出现,比如O、C等。这些杂质的存在会影响AlN本身的一些特性,如果我们能对这些杂质加以分析、利用,将看似不利的因素变为有利因素,就会大大提高AlN的制备效率,也更能发挥它的实用性。关于O原子,已经有大量的研究表明,它可以与碱金属等元素共掺,从而实现AlN的p型掺杂;关于C原子,也有C-Si共掺杂来实现AlN的p型掺杂。在半导体掺杂问题的研究中,有一大限制因素:随受主杂质掺入的施主杂质在生长完成后很难从晶体中剔除,这会大大影响实际掺杂效率,而在以SiC为衬底生长AlN晶体时,用C、Si掺杂就可以解决这一难题。C作为Ⅳ族元素,在AlN中掺杂时应用也较为灵活,比如,用C原子替换一个Al原子属于n型掺杂,用C原子替换一个N原子属于p型掺杂,而C原子本身又是杂质原子,因此,有关C原子掺杂AlN的一些特性问题值得我们深入研究。本文以C原子的掺杂为主线,以纯净的AlN为辅线进行研究对比。仿真工具使用Materials Studio软件的CASTEP模块;研究对象的性质借助电子态密度、能带结构、光学属性等来体现;研究内容包括:含C杂质的AlN的过渡态、对完整的AlN晶胞进行替换掺杂、间隙掺杂以及Ⅱ族元素与C原子的不同位置的共掺杂。从不同的层面对C原子的掺杂问题进行剖析,这将会给AlN掺杂研究带来新的灵感和强有力的理论支撑。
【图文】：

晶体结构,原子,绪论,闪锌矿结构

1 绪论个不同键共同组成的。α -AlN 为六方晶系，属于4C 6v3( P 6 mc )点群，其晶格常数为 a=0.3110nm、c=0.4978nm，禁带宽度为 6.2eV，从上面介绍的键长键角可发现α -AlN 没有对称中心[16]，它可以产生压电效应。图 1.1（b）的闪锌矿结构的 AlN 为立方晶系，从图中可以看出，与α -AlN 结构类似的是：仍以 Al 原子为中心，N 原子围绕在四周；不同的是：连接相邻两原子的那个原子会在空间上形成60ο的错位，这种交错构型的原子组合方式会使得上下共价键之间的排斥力有所减弱。

过渡态,生成物,反应物

相反，，复合物还有可能会分解回反应物。在实际实直接观察到过渡态，因为它的存在有可能是转瞬即逝的范围内，我们可以借助光谱技术观察到过渡态，如飞mical IR），它可以探测到非常接近转变点的分子结构。态结构的方法有线性同步穿越（LTS）和二次同步穿越理论（TST）考虑了分子结构的特点以及化学键的特征状态的几率服从玻尔兹曼（吉布斯）分布，这一理论的的所有点都处在热力学平衡态。沿反应坐标的极大值反应坐标之外的其它自由度上系统都处在最低能量态。熵的在理论上的计算成为了可能，相比碰撞理论是一大的反应体系中尚有不足之处。是指分子从常态转变为易发生化学反应的活跃状态所需一个化学反应所需的最小能量，活化能表示势垒的高度能量差，活化能越大则反应越不容易进行。如下图 3.1反应物、过渡态、生成物之间的能量关系。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ133.1

【参考文献】