本文關(guān)鍵詞：MOVPE生長GaN的表面反應(yīng)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：GaN是一種極重要的III-V族直接帶隙半導(dǎo)體材料,具有禁帶寬、擊穿電場高、電子遷移率高及抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于制備LED、半導(dǎo)體激光器以及高頻大功率微電子器件。MOVPE是制備Ga N薄膜的主要方法。在MOVPE生長GaN薄膜過程中,H2和N2作為載氣,以TMG和NH_3作為源氣體。源氣體在載氣的攜帶下進(jìn)入反應(yīng)室,發(fā)生氣相反應(yīng)和表面反應(yīng)。MOVPE的氣相反應(yīng)決定了薄膜生長速率和均勻性,而表面反應(yīng)決定了薄膜的表面形貌和生長質(zhì)量。對于表面反應(yīng),前人的研究主要針對c面GaN的MOVPE生長,考慮的表面反應(yīng)吸附粒子主要為Ga原子和NH_3。而對于MOVPE中表面反應(yīng)前體MMG和NH_3分子在非極性m面和a面GaN表面的吸附以及并入晶格的機(jī)理至今仍不清楚。采用基于DFT理論的CASTEP模塊,構(gòu)建非極性性m面和a面GaN表面超晶胞模型,對表面反應(yīng)前體在表面的吸附進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,分析吸附特性和成鍵情況。基于計(jì)算結(jié)果和分析,提出a面GaN薄膜生長機(jī)理。針對極性c面GaN生長模式和表面形成的島,建立臺(tái)階模型,分析表面成島原因,另外分析載氣對表面形貌產(chǎn)生影響的原因。主要內(nèi)容如下:1.優(yōu)化計(jì)算MMG和NH_3在m面GaN表面不同的初始吸附位吸附,計(jì)算了MMG和NH_3在表面的吸附能、與近鄰原子的距離、態(tài)密度、電荷密度分布、電子布居。在表面1×1周期里,MMG和NH_3均有一個(gè)最佳吸附位。MMG中的Ga原子與表面鄰近的N原子、Ga原子分別形成Ga-N、Ga-Ga共價(jià)鍵。NH_3中的N原子與表面鄰近的Ga原子形成N-Ga共價(jià)鍵。通過電荷分布情況和布居數(shù),驗(yàn)證成鍵情況。H原子在m面GaN表面吸附在N原子上,形成N-H鍵。從能量角度,NH_3在表面吸附之后傾向于解離。2.優(yōu)化計(jì)算MMG和NH_3在a面GaN表面不同的初始吸附位吸附,計(jì)算了MMG和NH_3在表面的吸附能、與近鄰原子的距離、態(tài)密度、電荷密度分布、電子布居。在表面1×1周期里,MMG和NH_3均有兩個(gè)最佳吸附位。吸附粒子與表面原子之間成鍵方式與在m面GaN表面上相同。3.根據(jù)表面反應(yīng)前體MMG和NH_3在a面GaN表面的吸附特性及成鍵情況,將a面GaN表面反應(yīng)歸納成4個(gè)反應(yīng)方程式,并且提出a面GaN薄膜生長機(jī)理。在a面GaN生長表面覆蓋著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,之后解離為NH2和H,H原子形成H2脫離表面。MMG吸附到表面,只與表面N原子之間成鍵,N原子上原有吸附的H原子形成H2脫離表面。MMG與相鄰由解離得到的NH2之間成鍵,脫去CH4。從而生長出新的一層原子層,表面結(jié)構(gòu)與初始表面結(jié)構(gòu)一致。4.針對極性c面GaN表面形成的島,將島簡化為臺(tái)階模型,發(fā)現(xiàn)吸附粒子在臺(tái)階上下吸附后總能量存在差值。隨著臺(tái)階的增高,總能量差值增大。當(dāng)總能量差值增大到一定程度,吸附粒子不再穩(wěn)定地吸附在臺(tái)階上,即GaN表面島的尺寸不再增大。不同生長條件下,形成島的尺寸不同。載氣中H2的占比影響表面H原子參與的反應(yīng),影響吸附粒子到表面的吸附,影響吸附粒子在臺(tái)階上下吸附后總能量的差值,使臺(tái)階高度不同,即影響GaN表面島的大小和表面粗糙程度。
【關(guān)鍵詞】：MOVPE GaN 吸附特性 生長機(jī)理
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN304.23
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 緒論11-24
• 1.1 GaN材料11-13
• 1.2 MOVPE原理13-15
• 1.3 GaN在MOVPE生長中的化學(xué)反應(yīng)15-18
• 1.3.1 氣相反應(yīng)16-17
• 1.3.2 表面反應(yīng)17-18
• 1.4 表面反應(yīng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀18-22
• 1.5 表面反應(yīng)研究存在的問題22-23
• 1.6 研究目標(biāo)和研究內(nèi)容23-24
• 第二章 理論基礎(chǔ)和計(jì)算方法24-31
• 2.1 密度泛函理論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 交換關(guān)聯(lián)能求解近似方法26-27
• 2.2.1 局域密度近似26-27
• 2.2.2 廣義梯度近似27
• 2.3 MS軟件及CASTEP模塊功能27-28
• 2.4 相關(guān)的化學(xué)與物理量定義28-31
• 2.4.1 吸附能28-29
• 2.4.2 電子態(tài)密度29-30
• 2.4.3 電荷密度圖30-31
• 第三章 MOVPE生長m面GaN薄膜的表面吸附研究31-40
• 3.1 理論模型和方法31-33
• 3.2 GaCH3在m面GaN表面的吸附33-35
• 3.3 NH_3在m面GaN表面的吸附及解離35-36
• 3.4 吸附體系的電子結(jié)構(gòu)36-38
• 3.5 小結(jié)38-40
• 第四章 MOVPE生長a面GaN薄膜的表面吸附研究40-48
• 4.1 理論模型和方法40-41
• 4.2 MMG在a面GaN表面的吸附41-43
• 4.3 NH_3在a面GaN表面的吸附及解離43-45
• 4.4 吸附體系的電子結(jié)構(gòu)45-47
• 4.5 小結(jié)47-48
• 第五章 GaN薄膜生長機(jī)理48-57
• 5.1 a面GaN薄膜生長機(jī)理48-52
• 5.1.1 不同GaN表面對比48-50
• 5.1.2 a面GaN薄膜生長機(jī)理的提出50-52
• 5.2 c面GaN薄膜島狀生長機(jī)理52-55
• 5.3 小結(jié)55-57
• 第六章 全文總結(jié)與展望57-59
• 6.1 全文總結(jié)57-58
• 6.2 工作展望58-59
• 參考文獻(xiàn)59-62
• 致謝62-63
• 攻讀碩士學(xué)位期間發(fā)表的論文63

【相似文獻(xiàn)】

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1 左朝朝;MOVPE生長GaN的表面反應(yīng)研究[D];江蘇大學(xué);2016年

  本文關(guān)鍵詞：MOVPE生長GaN的表面反應(yīng)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：328803