新型材料特性的理论分析和选择性区域外延生长的研究

摘要

本论文工作是围绕任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划(973计划)项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”(项目编号：2003CB314900)展开的。 当前通信光电子器件正处于由分立转向集成的重大变革时期。由于光电子器件较之分立封装的光电组件具有尺寸小、光电连接产生的寄生效应低、成本低、性能优越和可靠性高等诸多优点，因此成为全世界光通信和光电子领域科学家关注的前沿研究热点和重大基础课题。然而受到材料、结构、工艺等方面的种种制约和束缚，目前光电子器件面临着一系列的困难，全面突破还有待于深入的探索和攻坚。 在任晓敏教授、黄永清教授、黄辉副教授的指导下，笔者在本文中对InP衬底的选择区域外延生长、新一代二元系材料TIP和三元系材料InxGa1-xN进行了重点的理论研究和模拟仿真。论文的主要工作如下： 第一，模拟在(100)InP衬底之上，[011]方向的绝缘掩膜SiO2之间的窗口区域InP条纹生长过程。模拟得出，在绝缘掩膜区域附近观察到一种脊形结构。我们通过改变模型的条纹窗口宽度等参数，以(100)面的X轴和时间T为变量，结合表面迁移特性和气相扩散特性的外延生长模型，成功地解释了这种奇异的现象。这一方法和结果便于更好地与实验数据进行比较。 第二，通过分析CASTEP软件的基本原理，并且采用CASTEP程序，应用总能赝势方法对一种新的二元系材料TIP进行了模拟计算。计算中设置赝势为超软赝势，对交换关联能分别采用局域密度泛函近似方法(LDA)和广义梯度近似方法(GGA)，对TIP的电子和能带结构的特性进行了系统的理论分析。我们得出该种材料的晶格常数在5.956到6.089之间，价带在-12.5eV到-11.5eV之间，具有明显的T16d电子的特征，态密度峰值出现在-11.4eV处，并且从能带结构图说明TIP具有很好的导体特性。 第三，应用总能赝势方法和CASTEP程序对含氮的Ⅲ-V组半导体化合物及其合金材料的代表-InxGa1-xN进行了模拟计算。利用第一性原理密度泛函理论和Vegard定理来探讨不含应力的闪锌矿化合物半导体InxGa1-xN在In的不同组分下的带隙值和晶格常数，并拟合出bowing参数值为1.5728±0.14783eV，并与其他研究小组的结果对比，可以预见其bowing值应该在1.5eV附近，可见InxGa1-xN材料有明显的bowing现象，这一方法和结果对于研究其它的含氮的Ⅲ-V组半导体化合物及其合金材料的光学特性有着重要的参考价值。 第四，为了估计以低温异质缓冲层为基础的不同异质结构，研究在低温金属气相外延沉积(LP-MOCVD)中生长的InP/In0.53Ga0.47As/InP结构。运用PL谱、高分辨率XRD-HRXRD和SPM检测不同异质结构样本。对于最优化的生长条件-450℃下15nm厚度的InP缓冲层，HRXRD，PL谱的半高宽-FWHM分别为512arcsec和51.7meV，SPM的均方根为0.915nm.

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

第二章选择性区域外延生长-SAE

第三章二元系材料TIP和三元系材料InxGa1-xN的能带结构和晶格常数的理论分析

第四章InP/In0.53Ga0.47As/InP在GaAs衬底上的异质外延晶片生长过程和质量分析

参考文献

致谢

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