氮化鎵MOCVD生長中氣相反應路徑的數(shù)值模擬研究.pdf

1、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)是制備基于氮化鎵(GaN)材料的藍、紫光發(fā)光二極管、半導體激光器以及高頻大功率微電子器件的主要方法。由于在MOCVD反應器中存在嚴重的氣相寄生反應,影響薄膜的質(zhì)量和生長效率。因此,抑制氣相寄生反應,促進有利生長的反應,成為提高薄膜質(zhì)量和生長速率的關鍵。
　　 本文首先綜述了MOCVD生長GaN氣相反應的研究現(xiàn)狀和存在問題。在總結(jié)前人研究的基礎上,結(jié)合反應動力學理論和計算機數(shù)值模擬,對GaNMOC

2、VD生長的溫場、流場和濃度場進行CFD數(shù)值模擬,重點考查不同反應器結(jié)構(gòu)對GaN生長氣相反應路徑的影響。在同時考慮兩條平行反應路徑的情況下,通過觀察不同反應路徑的生成物濃度大小,以及不同反應路徑對生長速率的貢獻,確定反應器幾何結(jié)構(gòu)、操作參數(shù)以及自由基等因素對化學反應路徑的影響。
　　 本文的具體內(nèi)容如下:
　　 (1)針對高速轉(zhuǎn)盤式(RDR)反應器,結(jié)合化學反應動力學進行CFD數(shù)值模擬,重點考查在不同反應腔高度、以及預混合

3、和分隔進口時,GaN生長的氣相反應路徑。模擬結(jié)果顯示:在RDR反應器中,主要的生長路徑為加合物可逆分解,然后TMG熱解的反應路徑。腔體高度降低對反應路徑影響較小,但生長速率有所增大;當從預混合進口改為環(huán)形分隔進口時,生長更傾向于TMG直接熱解路徑,同時生長速率增大,但均勻性變差。
　　 (2)針對預混合和分隔進口兩種進口形式的水平式反應器,結(jié)合化學反應動力學進行CFD數(shù)值模擬,考查其中的GaN生長的氣相反應路徑的變化。模擬結(jié)果表

4、明:在水平式反應器中,加合反應路徑和熱解反應路徑都對生長速率作出貢獻。分隔進口相比混合進口,使反應更傾向于加合路徑,同時提高了沉積薄膜的均勻性,但是GaN薄膜的生長速率有所下降。
　　 (3)針對高速轉(zhuǎn)盤式MOCVD反應器中自由基對GaN生長的化學反應路徑的影響進行數(shù)值模擬研究。通過對比加入自由基前后含Ga物質(zhì)的摩爾分數(shù)的變化,分析自由基對化學反應熱解路徑的影響;同時改變操作參數(shù)(壓強和基座溫度),對自由基活性進行研究。研究發(fā)現(xiàn)