MOVPE生長GaN的表面反應(yīng)研究.pdf

1、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等優(yōu)點，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 GaN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 NH3作為源氣體。源氣體在載氣的攜帶下進入反應(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

2、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NH3。而對于MOVPE中表面反應(yīng)前體MMG和NH3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行優(yōu)化計算。根據(jù)計算結(jié)果，分析吸附特性和成鍵情況?；谟嬎憬Y(jié)果和分析，提出 a面 GaN

3、薄膜生長機理。針對極性 c面 GaN生長模式和表面形成的島，建立臺階模型，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)化計算MMG和NH3在m面GaN表面不同的初始吸附位吸附，計算了MMG和 NH3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NH3均有一個最佳吸附位。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

4、鍵。NH3中的N原子與表面鄰近的Ga原子形成N-Ga共價鍵。通過電荷分布情況和布居數(shù)，驗證成鍵情況。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，NH3在表面吸附之后傾向于解離。
　　2.優(yōu)化計算 MMG和NH3在 a面GaN表面不同的初始吸附位吸附，計算了MMG和NH3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NH3均有兩個最佳吸附位。吸附粒子與表面原子

5、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NH3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個反應(yīng)方程式，并且提出a面GaN薄膜生長機理。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。NH3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

6、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，將島簡化為臺階模型，發(fā)現(xiàn)吸附粒子在臺階上下吸附后總能量存在差值。隨著臺階的增高，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