MOCVD生长AlN/GaN化学反应路径的量子化学研究

摘要

Ⅲ族氮化物是重要的第三代半导体材料，是制备高亮度LED、半导体激光器以及高频大功率微电子器件的基础。金属有机化学气相沉积(MOCVD)是制备氮化物薄膜最主要的方法，也是目前国际上高技术领域竞争的热点。在Ⅲ族氮化物的MOCVD生长中，一般是将Ⅲ族金属有机物TMX(X=Ga、Al等)与Ⅴ族氨气在载气(H2+N2)携带下通入反应室，在高温环境下，发生复杂的气相化学反应。一部分反应前体在高温衬底上发生沉积，生成GaN、AlN等化合物薄膜或者它们的固溶体AlGaN;另一部分反应前体在气相中形成纳米粒子，最终随尾气排出系统。Ⅲ族氮化物MOCVD生长中的关键问题，包括生长速率低、产生纳米颗粒、反应前体消耗大等，几乎都和生长中的化学反应有关。但是关于氮化物生长过程的气相化学反应，特别是关于TMGa、TMAl等金属有机物与NH3作用的反应路径，由于受到气体温度、压强、流量、浓度、反应器类型等诸多因素的影响，该方面的知识仍然相当缺乏，至今仍无统一的认识。
　　量子化学计算是研究化学反应路径的重要工具，前人已经针对Ⅲ族氮化物的MOCVD生长做了大量量子化学计算研究，但大都只计算标准状态的电子势能，未考虑温度升高引起的分子动能对化学反应的影响，因此不能解释从室温进口到高温衬底气体在反应器内的反应路径变化。本文利用量子化学的密度泛函理论(DFT)，通过优化计算各反应路径的分子构型和势能面，对MOCVD生长GaN和AlN的加合反应路径、直接热解路径、自由基的作用以及实验结果进行对比分析。特别计算了不同温度下，反应物、产物和过渡态的势能和自由能差的变化，探讨了温度对反应路径的影响规律。主要内容如下:
　　(1).总结了前人对MOCVD生长Ⅲ族氮化物的气相反应的研究现状，以及利用量子化学方法，计算不同化学反应路径的主要结论。根据反应动力学和量子化学理论，建立密度泛函计算模型，针对293.15 K到1473.15 K的温度区间，加合反应和分解反应中主要化学反应的焓变和自由能变化进行计算和比较，分析温度对反应路径趋势的影响。
　　(2).分别计算了NH3不过量和过量两种情况下，TMX与NH3加合反应的反应趋势。根据自由能判据，温度较低时TMX会自发与过量NH3化合形成氨基物;高温时，加合物倾向于重新分解为TMX和NH3，因此温度升高不利于该反应。根据上述现象提出了双分子反应路径。双分子反应是TMX与NH3不经过加合反应，直接经历过渡态消去CH4，这样在高温情况下，反应自由能仍小于零，反应能够进行下去。
　　(3).计算了在不同温度下TMX直接热解反应的焓差和自由能差，发现TMX直接热解反应需要很高的活化能。直接热解产生的自由基CH3能够降低反应活化能，促进热解反应的进行。H2会与自由基CH3反应，产生H自由基。H自由基比CH3更容易参与TMX热解反应，分解脱去CH4的势垒更低。
　　(4).考虑了H2对热解反应的影响，发现H2也可以直接参与TMX分解，而不走自由基路径，因为自由基CH3的产生需要很高的能量。TMX与H2直接反应，H原子取代甲基与金属原子相连，反应自由能变化始终小于零。
　　(5).氢键的存在并不对反应路径产生太大影响，因为反应路径的势垒变化不大。计算发现:存在两种不同的加合路径，一种为平面二维生长，另一种为三维生长。两种路径体系的能量都降低，但仍需进一步的实验验证。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 AlN和GaN材料

1．2 MOCVD基本原理

1．3 MOCVD反应室与输运过程

1．4 MOCVD生长AlN和GaN的化学反应原理

1．5 国内外研究现状

1．6 存在的问题和本文研究目标

第二章 化学反应动力学和计算化学介绍

2．1 反应动力学基础

2．1．1 反应速率方程和质量作用定律

2．1．2 温度对反应速率的影响

2．1．3 碰撞理论

2．1．4 表面吸附

2．2 计算化学理论基础

2．2．1 分子坐标

2．2．2 势能面

2．2．3 过渡态理论

2．2．4 分子力场

2．3 量子化学基础

2．3．1 波思-奥本海默近似

2．3．2 轨道近似

2．3．3 密度泛函理论

2．4 Gaussian软件介绍

2．4．1 计算方法介绍

2．4．2 计算基组

2．5 本章小结

第三章 温度对MOCVD生长AlN／GaN化学反应路径的影响

3．1 计算模型

3．2 计算方法的校核

3．3 计算结果与讨论

3．3．1 NH3不过量情况

3．3．2 NH3过量情况

3．3．3 分解反应

3．3．4 H2直接参与分解反应

3．4 本章小结

第四章 AlN形成纳米粒子路径的探讨

4．1 计算方法选择

4．2 结果与讨论

4．3 本章小结

第五章 全文总结

5．1 文章总结

5．2 存在的不足

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文