《MOCVD異質外延GaN過程中橫向生長效應的研究》是依託北京工業大學，由高志遠擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：MOCVD異質外延GaN過程中橫向生長效應的研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：高志遠
- 依託單位：北京工業大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目針對金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD）的異質外延，研究GaN的橫向生長行為與材料固有屬性之間的關係，探尋其背後特有的動力學規律，確定橫向生長所決定的GaN的微結構特性，以及此微結構所對應的材料光、電性質。本項目通過理論與實驗相結合，對比a面、m面和c面GaN橫向生長效應的差異，研究表面能在其中的作用；對比N極性面和Ga極性面GaN橫向生長效應的差異，研究極性在其中的作用；通過斜切襯底上GaN的生長，研究橫向生長中位錯的彎曲和相互作用湮滅機制；通過研究GaN納米線的橫向生長效應，探討不同的質量輸運機制在晶體橫向生長中的作用。本項目將橫向生長效應從晶體生長條件的研究中獨立出來，作為一條描述材料生長行為及其影響的基本機制，進行專門針對性的研究，為GaN生長和物性的研究提供了新思路，以期更好的控制並利用這一極性寬禁帶半導體材料。
結題摘要
背景與意義：在第三代寬禁帶半導體GaN基材料的MOCVD外延技術逐步走向商用化的同時，一些關於材料特性的基礎問題尚未十分清楚，在錯綜複雜的實驗現象背後隱藏的物理學規律還有待於發掘。本項目將橫向生長效應從晶體生長條件的研究中獨立出來，作為一條描述材料生長行為的基本機制，進行專門針對性的研究，這不僅便於生長的控制和材料特性的定製，也有利於日後將這一高端半導體材料的生長技術納入到更廣闊的物理學範疇，為實現更深層次的研究奠定基礎。 主要內容：項目從兩個方向進行研究：一是決定橫向生長的因素，即橫向生長的驅動力，包括內部驅動力，即晶體內部結構決定的橫向生長行為，和外部驅動力，即確定各種生長參數影響和控制橫向生長的物理機制；二是橫向生長所決定的因素，包括位錯和表面形貌等微結構特徵與橫向生長有關的形成機制，以及此微結構對材料光學性質的影響。在研究過程中，赫爾曼哈肯的協同學和普利高津的耗散性理論被套用其中。 重要結果: 1.表面能是橫向生長唯一的內部驅動力。外延的晶向相當於一個初始化的生長晶面，例如c面GaN異質外延，儘管c面表面能高而趨向於消失，但由於c面初始化面積大，而其它各面初始化面積為零，因此，生長形貌仍為c面顯露。 2.系統偏離平衡態的程度是橫向生長的外部驅動力。由生長條件所決定的生長的動力學過程，如反應原子在襯底表面吸附、擴散、成核和脫附，是通過改變系統偏離平衡態的程度來影響和控制橫向生長的程度。無論是V/III比過低使Ga原子成簇，或是溫度過低使得Ga原子遷移率降低，都會使生長偏離平衡，出現島狀成核，成為隨機漲落的序參量，進一步役使著反應原子在島的邊緣的台階處進一步成核，從而使島沿橫向和縱向進一步長大。台階處的成核為這一過程的伺服機制。 3.GaN的表面坑是系統處於非平衡態下自組織形成的典型結構。如果螺位錯露頭處的螺旋結構中心和邊緣不能處於相同的平衡態，則當位錯中心的曲率達到關鍵尺寸時，邊緣的加速度不能變為零，坑不斷擴張長大，因此系統越接近平衡，局部平衡的範圍越大，表面坑的尺寸越小；反之，系統越遠離平衡，局部平衡的範圍越小，坑的尺寸越大。 4.外延方向的變化不會造成表面坑形成機制的區別。a面GaN上同樣存在如c面GaN一樣由螺位錯露頭形成的表面坑，不但如此，帶有螺型分量的不全位錯露頭也會形成表面坑，同時，c面GaN上也存在如c面GaN上一樣由晶粒橫向合併造的大型表面坑。
