信息材料GaN凝固过程中的微观结构演变

摘要

以氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料由于其优越的材料特性十分适合应用于微波/毫米波大功率器件，其优良的特性有大的禁带宽度、高击穿场强、高电子漂移速度和高发光效率等。　　本文采用分子动力学的方法模拟了液态 GaN在不同冷速和压强下凝固过程，通过径向分布函数、键角分布函数和Voronoi多面体指数法来表征系统中的微观结构，而团簇结构演变则可通过可视化法直观地表示出来。　　首先，以1×1013K/s的冷速快速凝固GaN，通过对径向分布函数分析，发现系统中形成非晶态结构，但存在部分晶体团簇，系统约在2773K至2973K时发生凝固。系统降至200K时，（4000）多面体结构约占系统全部多面体结构的90％。通过可视化分析团簇结构的形成和演变，发现系统中成为GaN晶体团簇结构的基本组成单元是由（4000）相连构成的六环结构。在2500K时，系统中产生了相对稳定的晶体团簇结构。　　其次，分析液态GaN在1×1011K/s、1×1012K/s、1×1013K/s和1×1014K/s四个不同冷速条件下的凝固过程后得出结论：在高于1×1013K/s冷速条件下，系统形成以（4000）为主的非晶态结构。在低于1×1012K/s冷速条件下，系统形成晶态结构。在冷速为1×1011K/s条件下，系统最终形成了多晶体。冷速越低，其中/短程序有序度增大。　　接着，系统模拟了不同压强下液态 GaN的凝固过程，通过对模拟结果进行分析，得出结论：1×1012K/s冷速条件下，当压强为50GPa时，系统形成非晶态结构，且当压强为1GPa、5GPa、10GPa、20GPa和40GPa时，系统均形成多晶体结构。随着压强的增加，系统短程序结构增强，当压强增加到5GPa，压强对系统体积的压缩则减小系统的短程序有序度；随着压强的增大，系统体积在减小，系统内的原子间距减小，其分布更加均匀而紧致。20GPa压强条件更有利于形成较多体积较大的单晶结构。

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第一章 绪论

1.1 引言

1.2 GaN的研究现状

1.3材料凝固过程的计算机模拟

1.4本论文的研究意义及其主要内容

第二章 分子动力学模拟方法及微观结构的表征

2.1 分子动力学模拟

2.2 微观结构的表征方法

2.3本章小结

第三章 液态GaN快速凝固过程的微观结构演变特性

3.1 引言

3.2 模拟计算的条件与方法

3.3 模拟结果与分析

3.4 本章小结

第四章 冷速对液态GaN凝固过程中微观结构的影响

4.1引言

4.2模拟方法

4.3模拟结果与分析

4.4 本章小结

第五章 压强对液态GaN凝固过程中微观结构的影响

5.1引言

5.2模拟方法

5.3模拟结果与分析

5.4本章小结

第六章 结论

致谢

参考文献

附录攻读硕士学位期间所发表的学术论文和所参加的科研项目