MOVPE生長GaN的表面反應機理研究.pdf

1、氮化鎵(GaN)薄膜是重要的寬禁帶Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體材料，廣泛用于高亮度藍綠發(fā)光二極管(LED)、半導體激光器(LD)、化合物半導體薄膜太陽電池、以及高頻大功率微電子器件。了解GaN薄膜生長過程的表面反應至關(guān)重要。本文首先綜述了MOVPE生長GaN表面反應的研究現(xiàn)狀和存在的問題。在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了GaN(0001)-Ga面和GaN(000(1))-N面的理想表面模型，結(jié)合量子化學的DFT理論和CASTEP程序，對模型進行幾

2、何優(yōu)化和能量優(yōu)化，對到達表面的反應前體GaCH3和NH3在GaN表面的吸附行為進行了研究。然后，計算了NH3的表面覆蓋率，并提出了一套合理的表面初始成核的反應機理。最后，建立了GaN的TSK生長模型，并以此為基礎(chǔ)提出了臺階處和拐角處的GaN的生長機制。研究結(jié)果對GaN的表面反應機理具有重要參考。
　　具體內(nèi)容如下:
　　1.通過計算GaCH3和NH3在GaN(0001)-Ga面的Top、Bridge、H3、T4四種吸附位的能

3、量曲線發(fā)現(xiàn)， GaCH3在各吸附位的吸附能差值不大，因此容易在表面遷移;而NH3在各吸附位的吸附能差值較大，最穩(wěn)定吸附位為Top位，遷移到其他位置需要克服較大能壘。通過計算GaCH3和NH3在GaN(000(1))-N面的Top、Bridge、H3、T4四種吸附位的能量曲線發(fā)現(xiàn)，GaCH3的最穩(wěn)定吸附位為H3，吸附穩(wěn)定性依次為H3、Bridge、Top、T4。NH3由于分子中的H與表面的N相互作用，所以不能在上述期望的位置形成穩(wěn)定的吸附

4、。另外，從數(shù)學統(tǒng)計和優(yōu)先順序的角度，討論了氨氣的覆蓋率問題，發(fā)現(xiàn)在理想情況下，氨氣的在GaN(0001)-Ga面的覆蓋率為2/3ML。
　　2.在計算表面吸附能的基礎(chǔ)上，提出了以GaCH3和NH3為表面生長基元，在GaN(0001)-Ga面連續(xù)生長，最終形成環(huán)狀核心的二維生長機理。在環(huán)狀核心形成過程中，第一個GaN核生長需要三個NH3和一個GaCH3，可表示為Ga(NH2)3。第二個GaN核生長可利用已有的一個N作為配位原子，故只

5、需兩個NH3和一個GaCH3。兩個GaN核可表示為(NH2)2Ga-NH-Ga(NH2)2。第三個GaN核生長可利用已有的二個N作為配位原子，故只需要一個GaCH3和一個NH3。三個GaN核構(gòu)成環(huán)狀核心，可表示為Ga3(NH)3(NH2)3。后續(xù)的生長將重復第二個核和第三個核的生長過程，從而實現(xiàn)GaN薄膜的連續(xù)臺階生長。
　　3.完整描述了GaN的TSK(Terrace-step-Kink)模型的結(jié)構(gòu)組成，依托GaN的TSK模型，