【摘要】：GaN是重要的寬禁帶化合物半導(dǎo)體材料,廣泛應(yīng)用于制備藍(lán)光LED、半導(dǎo)體激光器和高頻大功率半導(dǎo)體器件。了解GaN的表面反應(yīng)機(jī)理,對(duì)于提高GaN薄膜生長(zhǎng)質(zhì)量至關(guān)重要。本文采用基于DFT理論的量子化學(xué)計(jì)算,針對(duì)MOVPE生長(zhǎng)GaN(0001)-Ga面的吸附和擴(kuò)散進(jìn)行研究。論文主要結(jié)論如下:(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,每種粒子均有幾種不同的吸附構(gòu)型。三種粒子相比,Ga(NH_2)_3最容易在表面吸附,DMGNH_2最難吸附。與NH_3相比,上述三種粒子均更容易吸附;與MMG相比,Ga(NH_2)_3更容易吸附,DMGNH_2則更難吸附。(2)在理想表面,N和NH吸附粒子均有兩個(gè)吸附位:H3位和T4位。N在理想表面的遷移較困難,而NH遷移較容易;NH_2和NH_3均只有一個(gè)吸附位,分別是Br位和Top位,NH_2的遷移比較容易,而NH_3的遷移相對(duì)較難。Ga和MMG在理想表面均有兩個(gè)吸附位:H3位和T4位。Ga原子容易在不同吸附位之間遷移,而MMG容易在H3位之間遷移。(3)在H覆蓋表面,N、NH、NH_2各自均只有一種吸附結(jié)構(gòu),主要通過(guò)吸附粒子的N取代表面覆蓋的H,與最近鄰的表面Ga成鍵而吸附。表面覆蓋的H不利于含N粒子吸附和擴(kuò)散和Ga原子的吸附,但會(huì)有利于Ga的遷移,從而促進(jìn)GaN的二維生長(zhǎng)。(4)Ga原子和MMG在臺(tái)階處均有兩種成鍵結(jié)構(gòu):與臺(tái)階近鄰原子生成兩個(gè)Ga-Ga鍵、一個(gè)Ga-N鍵,或生成兩個(gè)Ga-N鍵、一個(gè)Ga-Ga鍵,前者結(jié)構(gòu)更穩(wěn)定;NH_3、NH_2、DMGNH_2和H_2在臺(tái)階處均有兩種吸附構(gòu)型:分子吸附和分解吸附。NH_3容易發(fā)生分子吸附,NH_2和DMGNH_2更容易發(fā)生分解吸附,NH_2比NH_3更容易吸附在臺(tái)階;H_2的分子吸附屬于物理吸附。DMGNH_2、MMG、NH_3吸附在臺(tái)階處比理想表面容易,而H_2與之相反。(5)將主要計(jì)算結(jié)果與前人的研究結(jié)果對(duì)比:Ga(NH_2)_3、MMG(NH_2)_2、DMGNH_2在GaN(0001)理想平臺(tái)的吸附能規(guī)律相同,但有更多的吸附構(gòu)型,對(duì)應(yīng)不同的吸附能;Ga原子的表面遷移路徑與前人的研究結(jié)果吻合,Ga原子和NH的表面遷移性好,而N原子在理想表面的遷移較困難,可能成為形核中心,這些結(jié)論均與前人的研究結(jié)果吻合。
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：O614.371
【圖文】：

綠、紫發(fā)光二極管（LED），藍(lán)、紫色半導(dǎo)體激光器（LD），化合物半導(dǎo)體薄膜太陽(yáng)電池以及高頻大功率微電子器件等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用潛力和市場(chǎng)前景。GaN、金剛石、SiC 等，是繼 Si、Ge 元素半導(dǎo)體和 GaAs、InP 化合物半導(dǎo)體后的第三代半導(dǎo)體材料，是目前半導(dǎo)體材料研究的前沿和熱點(diǎn)。GaN 具有三種不同的晶體結(jié)構(gòu)，絕大多數(shù)工況下以穩(wěn)定的纖鋅礦結(jié)構(gòu)（Wurtzite structure，六方相）或亞穩(wěn)定的閃鋅礦結(jié)構(gòu)（Zinc blende structure，立方相）存在，在高壓下還可能出現(xiàn)巖鹽礦結(jié)構(gòu)（Rock Salt structure，立方相）。在 GaN 中，每個(gè) Ga 與四個(gè)近鄰的 N 成鍵，每個(gè) N 與四個(gè)近鄰的 Ga 成鍵。閃鋅礦的結(jié)構(gòu)為面心立方點(diǎn)陣，空間群 F43m；纖鋅礦的結(jié)構(gòu)為六角對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，空間群 P63mc。兩種結(jié)構(gòu) GaN 如圖 1.1 所示。因纖鋅礦比閃鋅礦更穩(wěn)定，故本文研究纖鋅礦 GaN。在晶胞（0001）方向上，Ga 與 N 呈 Ga-N-Ga-N 交錯(cuò)分布，第一層原子和第四層原子互相對(duì)齊。

長(zhǎng)半導(dǎo)體薄膜材料一般通過(guò)外延的生長(zhǎng)方式實(shí)現(xiàn)，外延生長(zhǎng)是指在襯與襯底的晶向完全一致的單晶層，就像晶體向外延長(zhǎng)了一段。該方法晶層的生長(zhǎng)厚度，且在導(dǎo)電性能方面與襯底不同，故可極大地改善器目前，人類(lèi)已發(fā)展了液相外延（LPE）、分子束外延（MBE）、化學(xué)CBE）和氣相外延（VPE）等多種外延方法。 屬 有 機(jī) 化 學(xué) 氣 相 外 延 （ Metalorganic Vapor Phase Epitaxy ， 簡(jiǎn) E）屬于氣相外延，是生長(zhǎng)物質(zhì)從氣體向固體轉(zhuǎn)移的過(guò)程。含外延膜組體被載氣輸送至外延面，氣體分子受熱分解、擴(kuò)散并參與化學(xué)反應(yīng)，子沉積，并按晶體結(jié)構(gòu)排列，這就長(zhǎng)成了外延膜。GaN 薄膜的制備主II 族的 Ga(CH3)3（簡(jiǎn)寫(xiě)為 TMG）和 V 族的 NH3作為反應(yīng)源氣體，由載輸運(yùn)到襯底上方，在高溫環(huán)境下發(fā)生表面反應(yīng)，實(shí)現(xiàn) GaN 的外延生長(zhǎng)化學(xué)反應(yīng)如下：a(CH3)3(V)+ NH3(V)→ GaN(S)+ 3CH4(V)

圖 1.3 氣相反應(yīng)兩條反應(yīng)路徑Fig. 1.3 Two reaction paths of gas phase reaction）熱解反應(yīng)：高溫下，TMG 和 NH3進(jìn)入反應(yīng)室后發(fā)生熱分解。TM去兩個(gè)甲基（CH3），形成單甲基鎵 GaCH3（MMG）。MMG 在解，通常認(rèn)為 MMG 為薄膜生長(zhǎng)的主要前體之一。相比于 TMG，依賴(lài)于溫度、壓力與停留時(shí)間[6]。只有溫度足夠高（＞800℃）的量 NH3分解。N2非常穩(wěn)定，不能作為生長(zhǎng) GaN 的 N 源，NH3會(huì)的 CH3反應(yīng)生成 CH4和 NH2，也可能與 H 反應(yīng)生成 H2、NH2，N 表面生長(zhǎng)。）加合反應(yīng)：TMG、NH3發(fā)生加合反應(yīng)生成 TMG:NH3，加合物脫CH4形成氨基物 Ga(CH3)2NH2（簡(jiǎn)寫(xiě)為 DMGNH2）。關(guān)于 DMGN的反應(yīng)，可能沉積到襯底表面，也可能就在氣相中生成聚合物

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 張子英;楊德林;劉云虎;曹海濱;邵建新;井群;;BaTiO_3的電子結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)(英文)[J];物理化學(xué)學(xué)報(bào);2009年09期

2 胡春麗;陳勇;李俊{

本文編號(hào)：2750092