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SiC衬底外延生长GaN界面结构的第一性原理研究

作　者: 陈金文
导　师: 刘向力
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 材料学
关键词: 第一性原理 异质结 SiC GaN 结合能
分类号: TN304.054
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


在半导体行业里,高质量的氮化镓薄膜是影响蓝光LED发展的核心技术,而影响外延生长氮化镓薄膜的质量的主要因素之一是衬底材料,良好的衬底材料可以有效的减少薄膜生长过程中产生的缺陷,提高薄膜的质量。碳化硅作为外延生长氮化镓的衬底,具有化学稳定性好、导电性能好、导热性能好、不吸收可见光等特点,并且它与氮化镓的晶格失配度为4.2 %,相对蓝宝石和硅衬底来说,碳化硅有着极大的优势,所以对碳化硅外延生长氮化镓界面结构的理论模拟研究尤为重要,可以了解衬底对外延膜质量和性能的重要影响。本文采用基于密度泛函理论的第一性原理计算,以广义梯度近似(GGA)为交换势和PBE为泛函数,采用超软赝势的方法分别对SiC、GaN单胞结构和SiC/GaN异质界面的结构能带、态密度、差分电荷密度和Mulliken布局进行计算分析,研究了SiC衬底在外延生长的初始阶段的界面结构特点。沿(001)方向切面构建的SiC/GaN异质界面模型,进行结构优化发现以Si-N和C-N结合的方式,体系最稳定。理论研究表明当衬底层以Si为端面TOP位吸附N原子时,界面处电子主要分布在C、N和Ga原子的周围,C和N原子电荷密度的增加主要增加在p轨道上,Si-N和Si-C之间有很强的共价作用。而BRIDGE位吸附N原子时,Si和N之间的成键布局数有所增大,键长为1.852 ?,N原子与两个Si原子生成共价键,形成较稳定的四配位键,使其异质结的结合能为-5.5786 eV,比TOP位的-4.7490 eV更低。当衬底以C为端面时,C原子和N原子之间形成了C-N双键,导带底和价带顶在费米能级有少量的重叠,出现了赝能隙,反映出相邻两个原子有很强的成键作用,其界面结合能为-5.5489 eV略大于Si原子TOP位吸附N的界面结构的结合能-5.5786 eV。而BRIDGE位吸附时,界面结构在优化过程中会趋于TOP位吸附时的模型,说明TOP位吸附时,体系的能量最低。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-18
  1.1 引言  9-11
  1.2 宽禁带半导体  11-13
    1.2.1 碳化硅的结构  11-12
    1.2.2 氮化镓的结构  12-13
  1.3 宽禁带半导体的特点  13
  1.4 SiC的研究现状  13-16
  1.5 GaN的研究现状  16-17
  1.6 本论文研究的主要内容  17-18
第2章 实验原理  18-28
  2.1 引言  18
  2.2 密度泛函理论（DFT）  18-24
    2.2.1 Hohenberg-Kohn 理论  18-21
    2.2.2 局域密度近似（LDA）  21-23
    2.2.3 广义梯度近似（GGA）  23-24
  2.3 基组与赝势  24-27
    2.3.1 基组  24-25
    2.3.2 赝势  25-27
  2.4 CASTEP软件包  27-28
第3章 SiC和GaN电学性能研究  28-37
  3.1 引言  28
  3.2 SiC的能带结构和态密度分布  28-32
    3.2.1 3C-SiC的晶体结构  28-29
    3.2.2 3C-SiC能带结构与能态密度  29-30
    3.2.3 4H-SiC的晶体结构  30-31
    3.2.4 4H-SiC的能带结构与能态密度  31-32
  3.3 GaN的能带结构和态密度分布图  32-35
    3.3.1 3C-GaN的晶体结构  32-33
    3.3.2 3C-GaN的能带结构与能态密度  33-34
    3.3.3 4H-GaN的晶体结构  34
    3.3.4 4H-GaN的能带结构与能态密度  34-35
  3.4 本章小结  35-37
第4章 SiC/GaN界面性能研究  37-54
  4.1 引言  37
  4.2 SiC/GaN界面的原子结合  37-41
    4.2.1 界面原子结合分类  37-38
    4.2.2 模型的构造与参数选择  38-41
  4.3 SiC/GaN吸附界面  41-42
  4.4 界面结合能的计算  42
  4.5 Si/N原子结合的界面  42-49
    4.5.1 Si原子TOP位吸附N原子  42-47
    4.5.2 Si原子BRIDGE位吸附N原子  47-49
  4.6 C/N原子结合的界面  49-52
    4.6.1 C原子TOP位吸附N原子  49-52
    4.6.2 C原子BRIDGE位吸附N原子  52
  4.7 本章小结  52-54
结论  54-55
参考文献  55-60
致谢  60

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 一般性问题 > 材料 > 一般性问题 > 制取方法与设备 > 外延生长
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