新型材料特性的理論分析和選擇性區(qū)域外延生長(zhǎng)的研究.pdf

1、本論文工作是圍繞任曉敏教授為首席科學(xué)家的國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目“新一代通信光電子集成器件及光纖的重要結(jié)構(gòu)工藝創(chuàng)新與基礎(chǔ)研究”(項(xiàng)目編號(hào)：2003CB314900)展開(kāi)的。 當(dāng)前通信光電子器件正處于由分立轉(zhuǎn)向集成的重大變革時(shí)期。由于光電子器件較之分立封裝的光電組件具有尺寸小、光電連接產(chǎn)生的寄生效應(yīng)低、成本低、性能優(yōu)越和可靠性高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此成為全世界光通信和光電子領(lǐng)域科學(xué)家關(guān)注的前沿研究熱點(diǎn)和重大基礎(chǔ)課題。然

2、而受到材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面的種種制約和束縛，目前光電子器件面臨著一系列的困難，全面突破還有待于深入的探索和攻堅(jiān)。 在任曉敏教授、黃永清教授、黃輝副教授的指導(dǎo)下，筆者在本文中對(duì)InP襯底的選擇區(qū)域外延生長(zhǎng)、新一代二元系材料TIP和三元系材料InxGa1-xN進(jìn)行了重點(diǎn)的理論研究和模擬仿真。論文的主要工作如下： 第一，模擬在(100)InP襯底之上，[011]方向的絕緣掩膜SiO2之間的窗口區(qū)域InP條紋生長(zhǎng)過(guò)程。模擬得出

3、，在絕緣掩膜區(qū)域附近觀(guān)察到一種脊形結(jié)構(gòu)。我們通過(guò)改變模型的條紋窗口寬度等參數(shù)，以(100)面的X軸和時(shí)間T為變量，結(jié)合表面遷移特性和氣相擴(kuò)散特性的外延生長(zhǎng)模型，成功地解釋了這種奇異的現(xiàn)象。這一方法和結(jié)果便于更好地與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。 第二，通過(guò)分析CASTEP軟件的基本原理，并且采用CASTEP程序，應(yīng)用總能贗勢(shì)方法對(duì)一種新的二元系材料TIP進(jìn)行了模擬計(jì)算。計(jì)算中設(shè)置贗勢(shì)為超軟贗勢(shì)，對(duì)交換關(guān)聯(lián)能分別采用局域密度泛函近似方法(LD

4、A)和廣義梯度近似方法(GGA)，對(duì)TIP的電子和能帶結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行了系統(tǒng)的理論分析。我們得出該種材料的晶格常數(shù)在5.956到6.089之間，價(jià)帶在-12.5eV到-11.5eV之間，具有明顯的T16d電子的特征，態(tài)密度峰值出現(xiàn)在-11.4eV處，并且從能帶結(jié)構(gòu)圖說(shuō)明TIP具有很好的導(dǎo)體特性。 第三，應(yīng)用總能贗勢(shì)方法和CASTEP程序?qū)蘑?V組半導(dǎo)體化合物及其合金材料的代表-InxGa1-xN進(jìn)行了模擬計(jì)算。利用第一性原理

5、密度泛函理論和Vegard定理來(lái)探討不含應(yīng)力的閃鋅礦化合物半導(dǎo)體InxGa1-xN在In的不同組分下的帶隙值和晶格常數(shù)，并擬合出bowing參數(shù)值為1.5728±0.14783eV，并與其他研究小組的結(jié)果對(duì)比，可以預(yù)見(jiàn)其bowing值應(yīng)該在1.5eV附近，可見(jiàn)InxGa1-xN材料有明顯的bowing現(xiàn)象，這一方法和結(jié)果對(duì)于研究其它的含氮的Ⅲ-V組半導(dǎo)體化合物及其合金材料的光學(xué)特性有著重要的參考價(jià)值。 第四，為了估計(jì)以低溫異質(zhì)緩