氮化鎵MOCVD化學反應動力學分析及其數值模擬研究.pdf

1、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)是制備GaN薄膜器件包括發(fā)光二極管和半導體激光器的關鍵工藝。在高溫生長條件下，作為反應前體的Ga(CH3)3和NH3發(fā)生復雜的氣相反應，極易形成納米粒子。這些納米粒子或者凝結在冷壁面處，或者沉積在薄膜上，不僅造成反應前體的損耗，而且嚴重影響薄膜質量。充分了解GaN生長過程中的氣相反應路徑，對于實現反應器的設計優(yōu)化、生長出高質量的薄膜，均具有重要意義。
　　 本論文圍繞GaN生長過程中的氣相反應路

2、徑，特別是反應器幾何參數對反應路徑的影響，開展了系統(tǒng)的研究。首先，在總結前人工作的基礎上，提出不同的氣體混合方式和加熱方式將引發(fā)不同的反應路徑。其次，利用結合反應動力學的CFD方法，對幾種典型MOCVD反應器的流場、溫場、反應前體濃度場進行數值模擬。通過分析對比襯底上方不同反應前體濃度的強弱，來確定反應路徑。最后，分析了反應器操作參數和熱泳力對反應前體濃度、生長速率以及化學反應路徑的影響。
　　 論文的具體研究內容如下：

3、　　 1.目前對GaN生長的化學反應路徑存在幾種不同的模型和爭議。通過對前人的實驗條件進行詳細的分析總結，指出盡管不同的研究人員使用了類似的壓力和溫度條件(MOCVD的典型生長條件)，但是Ga(CH3)3/NH3進氣的混合方式以及加熱方式均不相同，導致不同的結果。這些因素提供了解決爭議的線索。在此基礎上，作者提出新的GaN生長反應路徑：如果是常溫下完全混合，并逐漸加熱，Ga(CH3)3在變?yōu)榧雍衔锖髮l(fā)生可逆分解，生成的Ga(CH3)

4、3在進一步加熱時，分解為GaCH3(路徑1)；如果是中溫條件下(200～500℃)的不完全混合，在低溫壁面處則發(fā)生不可逆分解反應，形成氨基物Ga(CH3)2NH2以及氨基物的衍生物，并釋放出CH4(路徑2)；如果是高溫條件下(＞500℃)的不完全混合，并迅速加熱，Ga(CH3)3的直接熱解路徑將占主導地位(路徑3)。
　　 2.采用FLUENT軟件，對典型的MOCVD反應器進行包括反應動力學的溫場、流場、濃度場的數值模擬。通過對

5、比生成物粒子在襯底處的濃度大小，發(fā)現不同的反應器存在不同的反應路徑：腔體較高的高速轉盤式反應器(RDR)遵循路徑1；預混合進口水平式反應器同時存在兩條路徑，在高溫襯底區(qū)域遵循路徑1，在上壁面的低溫區(qū)域遵循路徑2；垂直噴淋式反應器(CCS)則遵循路徑3。
　　 3.針對水平式和垂直式MOCVD反應器中熱泳力對TMGa等反應前體濃度的影響分別進行理論和數值模擬。從分子動力學理論出發(fā)，推導出水平式MOCVD反應器中熱泳力和熱泳速度與溫

6、度、溫度梯度、壓強、粒子直徑的關系式，以及熱泳速度與擴散速度平衡時的關系式。在典型的MOCVD生長GaN的條件下，計算得出熱泳速度與擴散速度在同一數量級，但方向相反，約為10-2～10-1m/s。水平式反應器在溫度T=521K時，熱泳速度與擴散速度平衡；垂直式反應器由于粘性力的作用，在T=605K時，熱泳速度與擴散速度及粘性速度達到平衡。模擬結果顯示，增大上壁溫度，溫度梯度減小，反應粒子受到的熱泳力隨之減小，沉積速率提高，但沉積一致性變

7、差；減小上壁溫度，溫度梯度增大，熱泳力對粒子的排斥增大，反應室下游的可用粒子增多，有利于薄膜沉積的一致性。
　　 4.針對同種類型的反應器中，不同的操作參數和幾何參數對反應路徑的影響進行分析研究。通過改變反應器的操作參數(如進口流量、壓強)、幾何尺寸(如高度、反應器直徑)，進行包括反應動力學的溫場、流場、濃度場的數值模擬，分析操作參數及幾何參數對化學反應路徑的影響，并與文獻中的實驗值做對比分析。研究發(fā)現，對于三種類型的反應器，均