【摘要】：GaN材料~([1])被譽為繼硅材料后第二重要的半導體材料,已經(jīng)廣泛使用在發(fā)光二極管、場效應管等半導體器件上~([2])。GaN作為直接能隙的寬禁帶半導體~([3]),具有非常大的優(yōu)勢。由于GaN沒有同質襯底,它需要異質結外延生長在藍寶石(Al_20_3)或者碳化硅(SiC)上~([4])。但是藍寶石導熱性能差,SiC制造成本較高。因此價格便宜,導電導熱性能好、工業(yè)生產(chǎn)配套齊全的Si成了最有希望的襯底選擇~([5])。由于Si與GaN會出現(xiàn)晶格失配和熱失配,因此需要在Si基上外延生長GaN前生長AlN過渡層~([6])。研究報道~([7、8])表明在Si基外延生長AlN的過渡層前預鋪鋁層,可獲得較高平整度的GaN,表面位錯密度也明顯降低。但是相關的具體理論機制還沒有明確。本文采用基于密度泛函理論的第一性原理計算,通過VASP模擬計算Al原子分別在清潔、H化、Cl化的Si(100)及Si(111)表面的吸附位置及擴散能壘,以及Ga、In、N原子在相關表面的吸附行為。主要研究內容及研究成果如下:1、在不同方式處理的Si(100)表面,Al原子吸附的最穩(wěn)定位置不同、擴散路徑也不同:清潔Si(100)表面上,Al易于吸附在溝槽中,沿溝槽呈曲折狀擴散;H化、Cl化的Si(100)表面上,Al易于吸附在二聚體列頂部的H位置,在二聚體列頂部沿直線擴散。2、不同方式處理的Si(111)表面,Al原子吸附的最穩(wěn)定位置是相同的,擴散路徑類似,均易吸附于第二層Si原子的Top位(T_2位點),沿T_2到H(空心位點)的路徑擴散。3、無論是Si(100)還是Si(111)表面,H化、Cl化處理Si表面均有效降低Al原子的擴散勢壘。4、Ga原子在清潔、H化、Cl化Si(111)表面的穩(wěn)定吸附位置相同,均為T_2位點;In原子在清潔Si表面吸附的穩(wěn)定位置為T_2位點,在H化或Cl化Si(111)表面穩(wěn)定吸附的位點為H位點。H化或Cl化Si(111)表面均會有效的降低金屬原子在Si(111)表面的吸附能,起到保護襯底的作用。5、N原子在清潔、H化、Cl化Si(111)表面吸附,均會破壞T_1和T_2位點的Si-Si鍵,使得Si(111)表面的Si的六元環(huán)發(fā)生畸變,破壞Si(111)表面的平整性。Si(111)表面是否鈍化并不會使N和Si之間的相互作用減弱。因此在Si基氮化鎵的生長中一定要在Si的表面預鋪Al原子,阻止Si表面的氮化現(xiàn)象。
【圖文】：

海師范大學碩士學位論文 第 1生長表面位錯密度過大的情況。由于在 Si 上生長的 GaN 與藍寶石上aN 相比具有非常低的器件性能，因此需要提高晶體質量。利用 AlN 作是硅實現(xiàn)高質量生長 GaN 最有前途的方法之一[7,14,27,29]。近年來多次[7,16,30,31]，在高溫 AlN 緩沖層生長前預沉積金屬 Al 會使 Si 基 GaN 的整，極大的降低外延層表面的位錯密度。因此 Si 表面預鋪 Al 已經(jīng)被高質量 Si 基 GaN 的關鍵步驟。

圖 1-3 Si 基表面預鋪鋁的樣本設置的示意橫截道了在Si(111)襯底上長一層AlN的緩沖層然質量的 GaN 層。而為了防止硅表面被氮化Al 原子，GaN 晶體的質量和表面形態(tài)很大程 原子預鋪時間的增加，，GaN 薄膜的晶體質量人在 Si(111)表面生長 GaN，在 Si 襯底預鋪
【學位授予單位】：上海師范大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TN304

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本文編號：2617879