SiC衬底外延生长GaN界面结构的第一性原理研究

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-5.5786eV，比TOP位的-4.7490eV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-5.5489eV略大于Si原子TOP位吸附N的界面结构的结合能-5.5786eV。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。

目录

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摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 宽禁带半导体

1.3 宽禁带半导体的特点

1.4 SiC的研究现状

1.5 GaN的研究现状

1.6 本论文研究的主要内容

第2章 实验原理

2.1 引言

2.2 密度泛函理论（DFT）

2.3 基组与赝势

2.4 CASTEP软件包

第3章 SiC和GaN电学性能研究

3.1 引言

3.2 SiC的能带结构和态密度分布

3.3 GaN的能带结构和态密度分布图

3.4 本章小结

第4章 SiC/GaN界面性能研究

4.1 引言

4.2 SiC/GaN界面的原子结合

4.3 SiC/GaN吸附界面

4.4 界面结合能的计算

4.5 Si/N原子结合的界面

4.6 C/N原子结合的界面

4.7 本章小结

结论

参考文献

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致 谢