氮化鎵MOCVD生長中氣相反應(yīng)路徑的數(shù)值模擬研究.pdf

1、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)是制備基于氮化鎵(GaN)材料的藍(lán)、紫光發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器以及高頻大功率微電子器件的主要方法。由于在MOCVD反應(yīng)器中存在嚴(yán)重的氣相寄生反應(yīng),影響薄膜的質(zhì)量和生長效率。因此,抑制氣相寄生反應(yīng),促進(jìn)有利生長的反應(yīng),成為提高薄膜質(zhì)量和生長速率的關(guān)鍵。
　　 本文首先綜述了MOCVD生長GaN氣相反應(yīng)的研究現(xiàn)狀和存在問題。在總結(jié)前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論和計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬,對GaNMOC

2、VD生長的溫場、流場和濃度場進(jìn)行CFD數(shù)值模擬,重點(diǎn)考查不同反應(yīng)器結(jié)構(gòu)對GaN生長氣相反應(yīng)路徑的影響。在同時(shí)考慮兩條平行反應(yīng)路徑的情況下,通過觀察不同反應(yīng)路徑的生成物濃度大小,以及不同反應(yīng)路徑對生長速率的貢獻(xiàn),確定反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)以及自由基等因素對化學(xué)反應(yīng)路徑的影響。
　　 本文的具體內(nèi)容如下:
　　 (1)針對高速轉(zhuǎn)盤式(RDR)反應(yīng)器,結(jié)合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬,重點(diǎn)考查在不同反應(yīng)腔高度、以及預(yù)混合

3、和分隔進(jìn)口時(shí),GaN生長的氣相反應(yīng)路徑。模擬結(jié)果顯示:在RDR反應(yīng)器中,主要的生長路徑為加合物可逆分解,然后TMG熱解的反應(yīng)路徑。腔體高度降低對反應(yīng)路徑影響較小,但生長速率有所增大;當(dāng)從預(yù)混合進(jìn)口改為環(huán)形分隔進(jìn)口時(shí),生長更傾向于TMG直接熱解路徑,同時(shí)生長速率增大,但均勻性變差。
　　 (2)針對預(yù)混合和分隔進(jìn)口兩種進(jìn)口形式的水平式反應(yīng)器,結(jié)合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬,考查其中的GaN生長的氣相反應(yīng)路徑的變化。模擬結(jié)果表

4、明:在水平式反應(yīng)器中,加合反應(yīng)路徑和熱解反應(yīng)路徑都對生長速率作出貢獻(xiàn)。分隔進(jìn)口相比混合進(jìn)口,使反應(yīng)更傾向于加合路徑,同時(shí)提高了沉積薄膜的均勻性,但是GaN薄膜的生長速率有所下降。
　　 (3)針對高速轉(zhuǎn)盤式MOCVD反應(yīng)器中自由基對GaN生長的化學(xué)反應(yīng)路徑的影響進(jìn)行數(shù)值模擬研究。通過對比加入自由基前后含Ga物質(zhì)的摩爾分?jǐn)?shù)的變化,分析自由基對化學(xué)反應(yīng)熱解路徑的影響;同時(shí)改變操作參數(shù)(壓強(qiáng)和基座溫度),對自由基活性進(jìn)行研究。研究發(fā)現(xiàn)