氮化鎵MOCVD氣相反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析及數(shù)值模擬研究.pdf

1、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)生長(zhǎng)GaN基化合物半導(dǎo)體薄膜，是制備大功率微電子器件和LED等光電器件的關(guān)鍵工藝。在MOCVD生長(zhǎng)GaN過程中，通常以TMG和NH3為反應(yīng)源氣體，H2為載氣。TMG和NH3發(fā)生混合后，迅速反應(yīng)生成路易斯酸堿加合物TMG∶NH3，由此引發(fā)一系列加合或分解反應(yīng)，甚至產(chǎn)生寄生納米粒子，導(dǎo)致MOCVD中的化學(xué)反應(yīng)非常復(fù)雜，目前還沒有完整的反應(yīng)機(jī)理描述。本文將重點(diǎn)研究MOCVD中的氣相化學(xué)反應(yīng)，豐富反應(yīng)機(jī)理，為G

2、aN薄膜的生長(zhǎng)提供理論指導(dǎo)。
　　 首先針對(duì)GaN-MOCVD氣相反應(yīng)進(jìn)行國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)研，并總結(jié)存在的不足。然后一方面基于量子化學(xué)的過渡態(tài)理論和密度泛函理論，建立氣相加合路徑的反應(yīng)機(jī)理模型，計(jì)算各反應(yīng)路徑的勢(shì)能面，從而分析加合路徑的反應(yīng)機(jī)理;另一方面基于CFD數(shù)值模擬，建立GaN生長(zhǎng)過程的輸運(yùn)-反應(yīng)模型，分析反應(yīng)器結(jié)構(gòu)變化對(duì)氣相反應(yīng)路徑的影響，主要內(nèi)容如下:
　　 (1)依據(jù)NH3過量和不過量?jī)煞N情況，共提出了氣相加

3、合反應(yīng)的五條分解或聚合路徑，并采用Gaussian03軟件，計(jì)算各反應(yīng)路徑的分子構(gòu)型和勢(shì)能面。結(jié)果表明:當(dāng)NH3不過量時(shí)，加合物TMG∶NH3在生成氨基物DMGNH2后，很容易聚合生成納米顆粒;當(dāng)NH3過量時(shí)，NH3與TMG∶NH3可生成配位鍵加合物H3N∶TMG∶NH3或氫鍵加合物TMG∶NH3...NH3，形成后者的能量更低;通過對(duì)比各反應(yīng)路徑，給出如下推測(cè):在MOCVD的生長(zhǎng)條件下，形成氫鍵加合物TMG∶NH3...NH3，然后重

4、新可逆分解，可能是薄膜生長(zhǎng)的主要路徑;而氨基物聚合生成低聚物的路徑，可能是納米顆粒形成的主要路徑。
　　 (2)針對(duì)水平式反應(yīng)器，建立GaN生長(zhǎng)過程的輸運(yùn)-反應(yīng)模型，進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，以分析氣相反應(yīng)路徑。該輸運(yùn)-反應(yīng)模型的創(chuàng)新點(diǎn)是:在前人共識(shí)的5個(gè)氣相反應(yīng)和6個(gè)表面反應(yīng)模型中，添加了7個(gè)關(guān)于H、NH2等自由基的反應(yīng)，該模型可以更精確地模擬反應(yīng)器中氣相物質(zhì)的分布情況。模擬中，首先對(duì)比混合進(jìn)口和分隔進(jìn)口反應(yīng)器中反應(yīng)物的濃度分布和生