MOCVD生長Ⅲ-Ⅴ族氮化物的化學(xué)反應(yīng)——輸運(yùn)過程數(shù)值模擬研究.pdf

1、GaN和AlGaN是Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體薄膜材料，廣泛應(yīng)用于LED和大功率半導(dǎo)體器件，是目前全球半導(dǎo)體材料研究的熱點(diǎn)。金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)是生長GaN等化合物半導(dǎo)體薄膜材料的主要技術(shù)。TMG、TMAl和NH3是GaN和AlGaN薄膜生長的主要前體，高溫時(shí)在反應(yīng)器內(nèi)會(huì)發(fā)生復(fù)雜的氣相反應(yīng)和表面反應(yīng)，氣相中會(huì)形成大量納米顆粒。因此，化學(xué)反應(yīng)機(jī)理的研究對(duì)于薄膜生長質(zhì)量的提高起著至關(guān)重要的作用。本文針對(duì)高速垂直轉(zhuǎn)盤式(RDR)反應(yīng)器，考慮

2、不同進(jìn)口溫度對(duì)GaN的生長進(jìn)行相關(guān)模擬，同時(shí)也對(duì)AlGaN的生長進(jìn)行了模擬研究。通過本文的模擬，能夠深入了解MOCVD生長過程中的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，對(duì)如何提高薄膜的生長水平以及生長質(zhì)量有著重要的指導(dǎo)意義。
　　本文主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)分別建立了GaN和AlGaN的化學(xué)反應(yīng)輸運(yùn)模型，根據(jù)前人研究經(jīng)驗(yàn)，選取主要反應(yīng)路徑，包含了多個(gè)氣相和表面化學(xué)反應(yīng)。然后結(jié)合化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，進(jìn)行數(shù)值模擬，得到反應(yīng)器內(nèi)的溫場、流場及濃度場等進(jìn)

3、行對(duì)比分析。
　　(2)針對(duì)垂直轉(zhuǎn)盤式MOCVD反應(yīng)器進(jìn)口溫度對(duì)GaN生長的影響進(jìn)行數(shù)值模擬，分別考慮預(yù)混合進(jìn)口和分隔進(jìn)口兩種情況。通過對(duì)包含主要化學(xué)反應(yīng)路徑的氣體輸運(yùn)過程的模擬，對(duì)比不同進(jìn)口溫度下襯底前沿的反應(yīng)前體濃度及其對(duì)應(yīng)的生長速率的變化，發(fā)現(xiàn)在兩種進(jìn)口情況下，隨著進(jìn)口溫度的升高，生長速率均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。預(yù)混合時(shí)，進(jìn)口溫度約500K時(shí)生長速率最大;分隔進(jìn)口時(shí)，進(jìn)口溫度約800K時(shí)生長速率最大。上述變化的主要原因是，

4、生長速率取決于襯底上方邊界層內(nèi)含Ga粒子的濃度梯度。預(yù)混合時(shí)，襯底前沿的含Ga粒子主要為MMG，其濃度隨進(jìn)口溫度的變化趨勢與生長速率的變化趨勢一致。分隔進(jìn)口時(shí)，襯底前沿的含Ga粒子MMG和DMGNH2濃度處于同一數(shù)量級(jí).隨進(jìn)口溫度的升高，前者略有增加，而后者明顯增大。當(dāng)預(yù)混合的進(jìn)口溫度超過500K、分隔進(jìn)口的進(jìn)口溫度超過800K時(shí)，襯底前沿的MMG和DMGNH2的峰值或明顯下降、或明顯離開襯底，使得含Ga粒子的濃度梯度顯著下降，造成生長

5、速率下降。
　　(3)對(duì)AlGaN生長過程進(jìn)行數(shù)值模擬，保持TMAl或者TMG的流量不變，分別改變TMG或者TMAl的流量，即改變進(jìn)口的Al組分或Ga組分，對(duì)比通入不同源氣體比例下反應(yīng)室內(nèi)、特別是襯底附近的反應(yīng)前體濃度以及對(duì)應(yīng)的生長速率的變化，發(fā)現(xiàn)NH3與TMAl之間比NH3與TMG之間更容易發(fā)生寄生反應(yīng)，降低TMG流量比增加TMAl的流量更容易獲得高質(zhì)量的AlGaN薄膜。TMG、TMAl與NH3之間的寄生反應(yīng)對(duì)于AlGaN薄膜的