蓝宝石外延生长GaN厚膜的自分离及断裂机理研究

基本信息
批准号:61204013
项目类别:青年科学基金项目
资助金额:25.00
负责人:李佳
学科分类:
依托单位:河北工业大学
批准年份:2012
结题年份:2015
起止时间:2013-01-01 - 2015-12-31
项目状态: 已结题
项目参与者:周国香,路丽霞,王双进,吴建海,刘斌,周倩倩,孟令辉
关键词:
自分离蓝宝石GaN厚膜翘曲断裂
结项摘要

Group III-nitride semiconductors and their ternary and quaternary alloys with variable concentration have great application value for military and civil use because they have the widest adjustable forbidden gap. Fabricating high quality III-nitride materials needs to fabricate high quality native subatrate such as GaN and AlN. Bending and cracking often occur in fabricating GaN substrate because of the stress concentration. Therefore, it is difficult that the GaN thick-films fully separate from the substrate. The previous stress models deal with the stress in terms of a scalar quantity and can not exhibit the character of stress anistropy, and all depend on the curvature measurement. As a result, those models can not essentially interpret the phenomenon of self-separation, bending and cracking. The present project will thoroughly investigate the stress properties of the sapphire-GaN system, and explore the effect of shear deformation, lattice mismatch, thermal mismatch and nucleation coalescence on the strain of GaN thick-films, and estabish the three-dimentions stress model with tensor form by the relation of stress-strain. We will reveal the mechanism of bending, cracking, and self-separation from the sapphire substrate for GaN thick-films by investigating the mechanism of stress anistropy, the reason of their propensity to grow in island mode and the atomistic mechanism of critical thickness, the thansformation from elastic deformation to plastic deformation for the crack source, and the effect of island nucleation on stress as well as the generation mechanism of tensile stress.

III族氮化物半导体及其组分可调的三四元合金是迄今禁带宽度调制范围最宽的半导体体系,在军用和民用领域均有重大应用价值。制备高质量的III族氮化物首先需要制备出高质量的同质衬底如GaN和AlN。制备GaN衬底时由于应力的积聚经常出现翘曲甚至断裂,难以实现GaN厚膜与衬底的完整分离。以往应力模型对应力按标量处理,没有体现应力的各向异性特征,并且均依赖于曲率测量,不能从根本上解释自分离、翘曲以及断裂现象。本项目拟深入研究蓝宝石-GaN厚膜体系的应力特性,探索剪切形变、晶格失配、热失配以及形核合并对GaN厚膜应变的影响,通过应力与应变的基本关系,建立张量形式的三维应力模型;通过研究应力的各向异性机理、GaN厚膜倾向于岛状生长的原因以及临界厚度的微观原子机制、裂纹源从弹性向塑性形变的转化、岛状形核对应力的影响以及张应力的产生机制,揭示GaN厚膜与蓝宝石衬底的自分离以及GaN厚膜产生翘曲和断裂的机理。

项目摘要

GaN作为一种重要的半导体材料,可以应用到蓝光照明LED、半导体激光器以及高性能探测等领域。制备GaN常采用GaN衬底实现同质外延,单晶GaN主要在蓝宝石基底上生长,由于晶格失配和热膨胀系数不同,常导致GaN厚膜的翘曲和开裂,这显然与应力在厚膜内的分布特性有关。本研究考虑两条假设:(a)去除Stoney模型中膜厚远小于基底厚度的近似条件,考虑GaN膜的厚度和基底蓝宝石的厚度相当;(b)把GaN的膜厚考虑成非均匀的,随面内径向坐标r变化。并且,考虑剪切形变,从连续体力学方程出发建立了包含界面剪切应力的“三维应力模型”,计算了GaN-蓝宝石异质厚膜体系的曲率和界面剪切应力,研究了从系统中心到边缘膜厚的薄-厚-薄和厚-薄的两种变化模式。计算结果表明系统的曲率不再是常量而是随坐标r变化的变量,界面剪切应力在整个半径R范围内出现方向转变,转变点正好对应曲率取极值的点,表明曲率对界面剪切应力有重要影响。此外,基于GaN厚膜在蓝宝石基底上外延生长过程中膜厚方向的晶格常数从界面到膜表面呈现弛豫特征的实验结果,我们建立了描述膜厚方向的正应变的“弛豫模型”,进而计算和讨论了GaN膜边缘处的应力和应变沿膜厚方向的变化,GaN和基底界面处的应力在面内的变化以及中心处的应力和应变沿膜厚方向的变化。 Stoney模型是从薄膜基底的应力应变关系出发,首先得到应变能函数,从而推得膜内应力与曲率的关系。在本研究中,我们推广了Stoney模型,考虑z方向的应力和应变,以及和z方向相关的剪切应变,得出柱坐标下的任意一点的应变能函数,并考虑膜内面间的均匀失配应变,得到体系的应变能的积分表达式。

项目成果
{{index+1}}

{{i.achievement_title}}

{{i.achievement_title}}

DOI:{{i.doi}}
发表时间:{{i.publish_year}}

暂无此项成果

数据更新时间:2023-05-31

其他相关文献

1

内质网应激在抗肿瘤治疗中的作用及研究进展

内质网应激在抗肿瘤治疗中的作用及研究进展

DOI:10.3969/j.issn.1001-1978.2021.12.004
发表时间:2021
2

混采地震数据高效高精度分离处理方法研究进展

混采地震数据高效高精度分离处理方法研究进展

DOI:10.3969/j.issn.1000-1441.2020.05.004
发表时间:2020
3

人β防御素3体内抑制耐甲氧西林葡萄球菌 内植物生物膜感染的机制研究

人β防御素3体内抑制耐甲氧西林葡萄球菌 内植物生物膜感染的机制研究

DOI:
发表时间:2017
4

线粒体自噬的调控分子在不同病生理 过程中的作用机制研究进展

线粒体自噬的调控分子在不同病生理 过程中的作用机制研究进展

DOI:10.3969/j.issn.1007-6948.2019.05.044
发表时间:2019
5

粉末冶金铝合金烧结致密化过程

粉末冶金铝合金烧结致密化过程

DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2018.09.008
发表时间:2018

李佳的其他基金

批准号:30200341
批准年份:2002
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:81403286
批准年份:2014
资助金额:23.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:61671199
批准年份:2016
资助金额:58.00
项目类别:面上项目
批准号:81760402
批准年份:2017
资助金额:33.00
项目类别:地区科学基金项目
批准号:31401152
批准年份:2014
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:81572530
批准年份:2015
资助金额:65.00
项目类别:面上项目
批准号:81603212
批准年份:2016
资助金额:17.30
项目类别:青年科学基金项目
批准号:81302235
批准年份:2013
资助金额:23.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:51102250
批准年份:2011
资助金额:24.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:31801705
批准年份:2018
资助金额:26.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:81302551
批准年份:2013
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:31500849
批准年份:2015
资助金额:19.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:81402133
批准年份:2014
资助金额:23.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:81102267
批准年份:2011
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:51008192
批准年份:2010
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:61170036
批准年份:2011
资助金额:56.00
项目类别:面上项目
批准号:31700616
批准年份:2017
资助金额:24.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:61370044
批准年份:2013
资助金额:80.00
项目类别:面上项目
批准号:21701091
批准年份:2017
资助金额:23.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:11526177
批准年份:2015
资助金额:2.60
项目类别:数学天元基金项目
批准号:61006017
批准年份:2010
资助金额:21.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:51775374
批准年份:2017
资助金额:60.00
项目类别:面上项目
批准号:51175376
批准年份:2011
资助金额:60.00
项目类别:面上项目
批准号:61774160
批准年份:2017
资助金额:59.00
项目类别:面上项目
批准号:81773779
批准年份:2017
资助金额:50.00
项目类别:面上项目
批准号:21802069
批准年份:2018
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:21302211
批准年份:2013
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:81804165
批准年份:2018
资助金额:21.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:11104155
批准年份:2011
资助金额:26.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:30472045
批准年份:2004
资助金额:20.00
项目类别:面上项目
批准号:21467027
批准年份:2014
资助金额:50.00
项目类别:地区科学基金项目
批准号:11874036
批准年份:2018
资助金额:64.00
项目类别:面上项目
批准号:61605120
批准年份:2016
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:51804354
批准年份:2018
资助金额:25.00
项目类别:青年科学基金项目
批准号:41904006
批准年份:2019
资助金额:23.00
项目类别:青年科学基金项目

相似国自然基金

1

复合纳米多孔材料上的厚膜GaN外延生长研究

批准号:60876011
批准年份:2008
负责人:于广辉
学科分类:F0401
资助金额:38.00
项目类别:面上项目
2

蓝宝石基无极性GaN薄膜外延生长及LED器件研究

批准号:60806017
批准年份:2008
负责人:彭冬生
学科分类:F0403
资助金额:21.00
项目类别:青年科学基金项目
3

大尺寸GaN厚膜衬底材料自剥离制备研究

批准号:61076001
批准年份:2010
负责人:刘祥林
学科分类:F0401
资助金额:56.00
项目类别:面上项目
4

掺稀土GaN厚膜晶体衬底的HVPE生长、性能和发光机理研究

批准号:51002179
批准年份:2010
负责人:曾雄辉
学科分类:E0207
资助金额:20.00
项目类别:青年科学基金项目