MOCVD生長GaN的輸運-反應(yīng)模型研究.pdf

1、金屬有機化學(xué)氣相沉積(MOCVD)是制備氮化鎵(GaN)基半導(dǎo)體光電器件的關(guān)鍵工藝。GaN-MOCVD過程的模型化研究，就是建立適當(dāng)?shù)妮斶\和反應(yīng)動力學(xué)模型，利用數(shù)值計算方法對反應(yīng)室內(nèi)的氣體流動、溫度分布、組分濃度分布、氣相反應(yīng)路徑等進(jìn)行計算和分析，并對外延層的生長速率和均勻性進(jìn)行預(yù)測。利用模型化研究的結(jié)果，可以對反應(yīng)器幾何結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而改善外延層特性。
　　 本論文對GaN-MOCVD過程的輸運-反應(yīng)模型進(jìn)行了開發(fā)

2、和應(yīng)用研究。首先在分析文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，建立了完備的輸運-反應(yīng)模型，并對模型進(jìn)行了有效性驗證;然后應(yīng)用該模型對MOCVD反應(yīng)器內(nèi)的氣相反應(yīng)路徑、薄膜生長速率、三甲基鎵(TMG)前體利用率、寄生反應(yīng)程度等進(jìn)行了模擬計算和分析。同時，還建立了水平式和垂直式反應(yīng)器中TMG前體利用率的解析模型，并推導(dǎo)了垂直式反應(yīng)器中氣體駐留時間的計算式。
　　 本論文的主要內(nèi)容如下:
　　 1.建立了GaN-MOCVD過程的輸運-反應(yīng)模型。首先建立

3、了MOCVD過程的一般輸運模型，然后在分析不同文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，擇取6個氣相反應(yīng)、5個表面反應(yīng)形成反應(yīng)動力學(xué)模型，與輸運模型一起，構(gòu)成了完備的GaN-MOCVD輸運-反應(yīng)模型。由于反應(yīng)前體TMG和NH3在典型MOCVD條件下會發(fā)生復(fù)雜的氣相預(yù)反應(yīng)，形成劉易斯酸堿加合物和聚合物，進(jìn)而引發(fā)對薄膜生長無貢獻(xiàn)的納米粒子的形成，因此，化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)模型的合理建立是整個建模過程的重點和難點。模型的創(chuàng)新點在于在氣相反應(yīng)中包含了形成多聚物的化學(xué)反應(yīng)，而

4、多聚物是MOCVD反應(yīng)器中納米粒子形核的直接來源。
　　 2.利用所建立的輸運-反應(yīng)模型，分別對高速轉(zhuǎn)盤式(RDR)和水平式反應(yīng)器中的GaN生長速率和反應(yīng)路徑進(jìn)行了模擬分析。通過將模型預(yù)測的生長速率與實驗值進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)兩者吻合良好（在RDR中的預(yù)測誤差僅為4％），驗證了本模型的有效性。在高速轉(zhuǎn)盤式反應(yīng)器中:氣相中三聚物的濃度不能忽略;氣相反應(yīng)路徑主要遵循加合物的可逆分解及TMG的熱解的反應(yīng)路徑，壓強、基片轉(zhuǎn)速、反應(yīng)腔高度、進(jìn)口

5、流速等操作參數(shù)的改變不會改變該路徑的主導(dǎo)地位，但基片溫度的降低會促使加合反應(yīng)路徑的作用增大;在保證生長均勻性和活性N原子足量供應(yīng)的前提下，可通過增大壓強、提高基片轉(zhuǎn)速、改變進(jìn)口型式（如采用環(huán)形分隔進(jìn)口）的方法來提高GaN薄膜的生長速率;降低流速和降低反應(yīng)腔高度有助于改善生長均勻性。在水平式反應(yīng)器中:氣相中三聚物的影響甚微;氣相反應(yīng)路徑同樣遵循加合物的可逆分解及TMG的熱解的反應(yīng)路徑，改變壓強不會改變該路徑的主導(dǎo)地位，但增大進(jìn)口流速及降低

6、基片溫度會促使加合反應(yīng)路徑的作用增大;可通過增大流速來提高GaN薄膜的生長速率。
　　 3.利用所建立的輸運-反應(yīng)模型，計算了高速轉(zhuǎn)盤式和水平式反應(yīng)器中的TMG前體利用率，分析了各操作參數(shù)的影響;并且結(jié)合邊界層理論，建立了水平式和垂直式反應(yīng)器中金屬有機源TMG利用率的解析模型。結(jié)果表明，在垂直式反應(yīng)器中，欲提高TMG利用率，應(yīng)盡量增大壓強、提高基片轉(zhuǎn)速、增加基片-反應(yīng)室直徑比，降低進(jìn)口流速，同時改善進(jìn)口的設(shè)計型式（使TMG源集中

7、出現(xiàn)在基片正上方）。在水平式反應(yīng)器中，欲提高TMG利用率，應(yīng)盡量降低進(jìn)口流速、降低反應(yīng)室高度，增加基片-反應(yīng)室寬度比，增大TMG前體擴(kuò)散系數(shù)以及增加基片長度（或直徑）。
　　 4.利用所建立的輸運-反應(yīng)模型，研究了高速轉(zhuǎn)盤式反應(yīng)器中各操作參數(shù)對三聚物形成數(shù)量以及寄生反應(yīng)進(jìn)行程度的影響;推導(dǎo)了對納米粒子生長有很大影響的氣體駐留時間的計算公式。輸運-反應(yīng)模型的模擬結(jié)果表明，降低壓強、提高基片轉(zhuǎn)速、降低反應(yīng)腔高度、采用分隔進(jìn)口，有利于

8、抑制寄生反應(yīng)，減少三聚物的形成數(shù)量，從而減少納米粒子的形核。駐留時間的計算結(jié)果表明，采取降低壓強、提高基片溫度、降低反應(yīng)腔高度、增大進(jìn)口流速、提高基片轉(zhuǎn)速等措施，有利于減少氣體在反應(yīng)器內(nèi)的駐留時間，從而抑制納米粒子的生長。
　　 本研究的主要創(chuàng)新點為:(1)在GaN-MOCVD的氣相反應(yīng)模型中引入了三聚物的形成反應(yīng)，以體現(xiàn)納米粒子對GaN薄膜生長的影響;(2)建立了水平式和垂直式反應(yīng)器中TMG前體利用率的解析模型，能直觀地考察影