movpe生长gan的表面反应研究

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1、分类号TN304密级公开UDC548编号10299S1306011硕士学位论文MOVPE生长GaN的表面反应研究指导教师左然教授作者姓名左朝朝申请学位级别硕士专业名称工程热物理论文提交日期2016年5月论文答辩日期2016年6月学位授予单位和日期江苏大学2016年6月答辩委员会主席评阅人_________2016年06月独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大

2、学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：年月日学位论文版权使用授权书江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊（光盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入《中国学位论文全文数据库》并向社会提供查询，授权中国学

3、术期刊（光盘版）电子杂志社将本论文编入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》并向社会提供查询。论文的公布（包括刊登）授权江苏大学研究生处办理。本学位论文属于不保密□。学位论文作者签名：指导教师签名：年月日年月日MOVPE生长GaN的表面反应研究SurfaceReactionStudyonGaNMOVPEGrowth专业名称工程热物理指导教师左然教授研究生左朝朝2016年6月江苏大学硕士学位论文摘要GaN是一种极重要的III-V族直接带隙半导体材料，具有禁带宽、击穿电场高、电子迁移率高及抗辐射能力强等优点，广泛用于制备L

4、ED、半导体激光器以及高频大功率微电子器件。MOVPE是制备GaN薄膜的主要方法。在MOVPE生长GaN薄膜过程中，H2和N2作为载气，以TMG和NH3作为源气体。源气体在载气的携带下进入反应室，发生气相反应和表面反应。MOVPE的气相反应决定了薄膜生长速率和均匀性，而表面反应决定了薄膜的表面形貌和生长质量。对于表面反应，前人的研究主要针对c面GaN的MOVPE生长，考虑的表面反应吸附粒子主要为Ga原子和NH3。而对于MOVPE中表面反应前体MMG和NH3分子在非极性m面和a面GaN表面的吸附以及并入晶格的机理至今仍

5、不清楚。采用基于DFT理论的CASTEP模块，构建非极性性m面和a面GaN表面超晶胞模型，对表面反应前体在表面的吸附进行优化计算。根据计算结果，分析吸附特性和成键情况。基于计算结果和分析，提出a面GaN薄膜生长机理。针对极性c面GaN生长模式和表面形成的岛，建立台阶模型，分析表面成岛原因，另外分析载气对表面形貌产生影响的原因。主要内容如下：1.优化计算MMG和NH3在m面GaN表面不同的初始吸附位吸附，计算了MMG和NH3在表面的吸附能、与近邻原子的距离、态密度、电荷密度分布、电子布居。在表面1×1周期里，MMG和N

6、H3均有一个最佳吸附位。MMG中的Ga原子与表面邻近的N原子、Ga原子分别形成Ga-N、Ga-Ga共价键。NH3中的N原子与表面邻近的Ga原子形成N-Ga共价键。通过电荷分布情况和布居数，验证成键情况。H原子在m面GaN表面吸附在N原子上，形成N-H键。从能量角度，NH3在表面吸附之后倾向于解离。2.优化计算MMG和NH3在a面GaN表面不同的初始吸附位吸附，计算了MMG和NH3在表面的吸附能、与近邻原子的距离、态密度、电荷密度分布、电子布居。在表面1×1周期里，MMG和NH3均有两个最佳吸附位。吸附粒子与表面原子之

7、间成键方式与在m面GaN表面上相同。IMOVPE生长GaN的表面反应研究3.根据表面反应前体MMG和NH3在a面GaN表面的吸附特性及成键情况，将a面GaN表面反应归纳成4个反应方程式，并且提出a面GaN薄膜生长机理。在a面GaN生长表面覆盖着H原子，H原子吸附在表面N原子上。NH3吸附到表面最佳吸附位，之后解离为NH2和H，H原子形成H2脱离表面。MMG吸附到表面，只与表面N原子之间成键，N原子上原有吸附的H原子形成H2脱离表面。MMG与相邻由解离得到的NH2之间成键，脱去CH4。从而生长出新的一层原子层，表面结构

8、与初始表面结构一致。4.针对极性c面GaN表面形成的岛，将岛简化为台阶模型，发现吸附粒子在台阶上下吸附后总能量存在差值。随着台阶的增高，总能量差值增大。当总能量差值增大到一定程度，吸附粒子不再稳定地吸附在台阶上，即GaN表面岛的尺寸不再增大。不同生长条件下，形成岛的尺寸不同。载气中H2的占比影响表面H原子参与的反应，影响吸附粒子到表面的吸附，影