MOCVD生長AIN的化學(xué)反應(yīng)——輸運過程數(shù)值模擬研究.pdf

1、AlN是一種Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料，廣泛用于制備藍(lán)紫光發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)是制備AlN的主要方法。由于在MOCVD生長AlN的過程中，存在極其嚴(yán)重的寄生反應(yīng)，在反應(yīng)器中會產(chǎn)生大量的納米顆粒，嚴(yán)重影響了晶體薄膜的質(zhì)量和生長效率。因此，抑制寄生反應(yīng)和納米形核，成為提高AlN薄膜生長質(zhì)量的關(guān)鍵因素。本文針對AlN的MOCVD生長進(jìn)行數(shù)值模擬研究，特別研究了寄生反應(yīng)過程及其對薄膜生長的影響。主要內(nèi)容如下:

2、r>　　(1)建立了輸運-化學(xué)反應(yīng)模型，主要包括6個氣相化學(xué)反應(yīng)和5個表面反應(yīng)。之后利用數(shù)學(xué)模擬方法，結(jié)合反應(yīng)動力學(xué)知識，利用FLUENT軟件對反應(yīng)器中的流場、溫場、組分濃度場和生長速率進(jìn)行了對比觀察和分析。
　　(2)針對垂直轉(zhuǎn)盤式MOCVD反應(yīng)器生長AlN的化學(xué)反應(yīng)-輸運過程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，特別探討了反應(yīng)室高度、操作壓強和加合物衍生的三聚物對AlN生長的化學(xué)反應(yīng)路徑的影響。研究結(jié)果表明， AlN在MOCVD生長中以Al(CH

3、3)3和NH3的加合路徑為主，Al(CH3)3的熱解路徑很弱;加合路徑衍生的二聚物是薄膜生長的主要前體，三聚物是納米粒子的主要前體;降低反應(yīng)室高度，寄生反應(yīng)減弱，熱解路徑加強，使生長速率增大;增大壓強，寄生反應(yīng)加劇，使生長速率下降;添加由三聚物參加的表面反應(yīng)后，生長速率提高了近4倍，證明三聚物不參加薄膜生長，只是提供納米粒子前體。
　　(3)針對水平式反應(yīng)器生長AlN的化學(xué)反應(yīng)-輸運過程進(jìn)行數(shù)值模擬的研究。發(fā)現(xiàn)水平式反應(yīng)器中寄生反

4、應(yīng)要強于垂直式反應(yīng)器，而水平式反應(yīng)器薄膜生長速率要比垂直式反應(yīng)器略低;采用分隔進(jìn)口能獲得更加均勻的AlN薄膜，同時降低了AlN的生長速率。
　　(4)為了更準(zhǔn)確地模擬AlN生長的寄生反應(yīng)，我們對以上化學(xué)反應(yīng)模型進(jìn)一步改善，增加了。通過觀察同等條件下垂直轉(zhuǎn)盤反應(yīng)器新反應(yīng)模型中各組分的濃度分布，發(fā)現(xiàn)在垂直反應(yīng)器襯底上方隨著聚合物粒子直徑的增大，濃度越來越大;納米粒子主要來自聚合物，AlN粒子提供的納米粒子只是占據(jù)小部分;改進(jìn)后模型的生