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MOVPE生长AlN的气相反应机理的密度泛函理论研究
随着半导体技术的发展，氮化铝（AlN）已经成为重要的III-V族族宽禁带半导体材料，被广泛用于高功率微波器件、紫外波段之间的光电子学、高亮度LED以及高功率电池等领域。然而，AlN在晶体生长方面存在着许多挑战，其中一个是选择合适的生长技术以保证生长的高质量晶体。现今，流行的AlN晶体生长技术主要包括氯化物气相沉积(CVD)、分子束外延(MBE)、物理气相沉积(PVD)、以及金属有机化学气相沉积（MOCVD）等方法。而在这些方法中，气相沉积技术在生长AlN晶体方面表现出了非常重要的作用。其中，MOVPE生长AlN技术直接利用气相反应来进行AlN晶体的生长，其生长速率和沉积均匀性较高，因此在制备大面积和高质量的AlN晶体中具有广阔的应用前景。
MOVPE生长AlN的气相反应机理是MOVPE技术的研究重点之一。因为这种方法是通过基于烟气化学反应机制的气相反应来生长AlN单晶。在MOVPE过程中，Al原料与分子型氮源以及载气（例如氨气体）进行气相反应，生成AlN晶体。这个反应机理大致可被简化为三步骤。首先，需要将铝源物质，比如AlCl3，置于温度为800–900°C样品加热室中，使其减小部分真空状，以便进行内部气体预清洗。然后，需要通过提供正确比例的N2和H2来控制反应气氛，并使其稳定在250-1atm的范围内。最后，加入Ammonia气体源并在1000-1200℃，35mbar气压下，进行10~20分钟的AlN生长反应，最终制得AlN单晶。在这个过程中，AlCl3作为Al原料，被还原成它的金属铝，同时氨气体被分解成N原子，并与金属铝反应生成AlN单晶，反应过程中副产的气体是氢气和氯气，它们会随着反应室的其他气体流动而被移除。
为更好地解释MOVPE生长AlN的气相反应机理，采用了密度泛函理论（DFT）模拟技术，并对AlN晶体的形成途径、生长过程进行了研究。这种技术方法主要基于从第一原理出发计算电子运动的理论，利用计算机对原子内的电子运动的相关方程进行求解，从而得到一系列原子之间相互作用的能量信息，为对材料的微观性质进行研究提供了计算模型。在本研究中，DFT方法被应用于计算AlN沉积表面覆盖度、生长速率及材料晶体结构等参数，特别是在探究AlN生长机理方面，提供了有效的分子结构和反应动力学等方面的先进分析方法。
总之，通过使用密度泛函理论和其他计算方法来研究MOVPE生长AlN的气相反应机理，我们可以深入理解及操控该过程的微观物理学过程，这能够为生长高质量AlN晶体及其它半导体材料提供重要的物理基础。预计未来该技术将继续应用于其他物质的生长机理研究，推动其广泛应用和发展。