MOCVD生長GaN的輸運-反應模型研究.pdf

1、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)是制備氮化鎵(GaN)基半導體光電器件的關鍵工藝。GaN-MOCVD過程的模型化研究，就是建立適當的輸運和反應動力學模型，利用數值計算方法對反應室內的氣體流動、溫度分布、組分濃度分布、氣相反應路徑等進行計算和分析，并對外延層的生長速率和均勻性進行預測。利用模型化研究的結果，可以對反應器幾何結構和操作參數進行優(yōu)化，從而改善外延層特性。
　　 本論文對GaN-MOCVD過程的輸運-反應模型進行了開發(fā)

2、和應用研究。首先在分析文獻的基礎上，建立了完備的輸運-反應模型，并對模型進行了有效性驗證;然后應用該模型對MOCVD反應器內的氣相反應路徑、薄膜生長速率、三甲基鎵(TMG)前體利用率、寄生反應程度等進行了模擬計算和分析。同時，還建立了水平式和垂直式反應器中TMG前體利用率的解析模型，并推導了垂直式反應器中氣體駐留時間的計算式。
　　 本論文的主要內容如下:
　　 1.建立了GaN-MOCVD過程的輸運-反應模型。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研究的基礎上，擇取6個氣相反應、5個表面反應形成反應動力學模型，與輸運模型一起，構成了完備的GaN-MOCVD輸運-反應模型。由于反應前體TMG和NH3在典型MOCVD條件下會發(fā)生復雜的氣相預反應，形成劉易斯酸堿加合物和聚合物，進而引發(fā)對薄膜生長無貢獻的納米粒子的形成，因此，化學反應動力學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中包含了形成多聚物的化學反應，而

4、多聚物是MOCVD反應器中納米粒子形核的直接來源。
　　 2.利用所建立的輸運-反應模型，分別對高速轉盤式(RDR)和水平式反應器中的GaN生長速率和反應路徑進行了模擬分析。通過將模型預測的生長速率與實驗值進行比較，發(fā)現兩者吻合良好（在RDR中的預測誤差僅為4％），驗證了本模型的有效性。在高速轉盤式反應器中:氣相中三聚物的濃度不能忽略;氣相反應路徑主要遵循加合物的可逆分解及TMG的熱解的反應路徑，壓強、基片轉速、反應腔高度、進口

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

6、基片溫度會促使加合反應路徑的作用增大;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-反應模型，計算了高速轉盤式和水平式反應器中的TMG前體利用率，分析了各操作參數的影響;并且結合邊界層理論，建立了水平式和垂直式反應器中金屬有機源TMG利用率的解析模型。結果表明，在垂直式反應器中，欲提高TMG利用率，應盡量增大壓強、提高基片轉速、增加基片-反應室直徑比，降低進口流速，同時改善進口的設計型式（使TMG源集中

7、出現在基片正上方）。在水平式反應器中，欲提高TMG利用率，應盡量降低進口流速、降低反應室高度，增加基片-反應室寬度比，增大TMG前體擴散系數以及增加基片長度（或直徑）。
　　 4.利用所建立的輸運-反應模型，研究了高速轉盤式反應器中各操作參數對三聚物形成數量以及寄生反應進行程度的影響;推導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-反應模型的模擬結果表明，降低壓強、提高基片轉速、降低反應腔高度、采用分隔進口，有利于

8、抑制寄生反應，減少三聚物的形成數量，從而減少納米粒子的形核。駐留時間的計算結果表明，采取降低壓強、提高基片溫度、降低反應腔高度、增大進口流速、提高基片轉速等措施，有利于減少氣體在反應器內的駐留時間，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的氣相反應模型中引入了三聚物的形成反應，以體現納米粒子對GaN薄膜生長的影響;(2)建立了水平式和垂直式反應器中TMG前體利用率的解析模型，能直觀地考察影