自由基对气相化学反应生长GaN的影响研究

结合化学反应动力学模型,对MOCVD反应器中自由基对GaN生长的化学反应路径的影响进行数值模拟研究。通过对比加入自由基前后RDR反应器中Ga浓度变化,来分析自由基对化学反应热解路径的影响。同时改变压强,分析操作参数的变化对自由基活性的影响。研究发现:在不考虑自由基的反应路径,薄膜生长的主要前体为DMG;而考虑自由基的反应路径,主要的生长前体为MMG。自由基的存在加速了DMG向MMG的热解,使得DMG分解为MMG速度远大于TMG分解为DMG的速度,导致衬底上方的MMG浓度高于DMG。而操作压强的变化仅仅对流动边界层产生了影响,对热解路径影响不大。     

垂直转盘式MOCVD反应器进口温度对GaN生长的影响

针对垂直转盘式MOCVD反应器进口温度对GaN生长的影响进行数值模拟研究,分别考虑预混合进口和分隔进口两种情况.通过对包含主要化学反应路径的气体输运过程的模拟,对比不同进口温度下衬底前沿的反应前体浓度及其对应的生长速率的变化,从而确定进口温度对化学反应路径及生长速率的影响关系.结果表明,两种进口情况下,随着进口温度的升高,生长速率均呈现先增大后减小的趋势.预混合时,进口温度约500 K时生长速率最大;分隔进口时,进口温度约800 K时生长速率最大.这主要是由于,生长速率取决于衬底上方边界层内含Ga粒子的浓度梯度.预混合时,衬底前沿的含Ga粒子主要为MMGa,其浓度随进口温度的变化趋势与生长速率的变化趋势一致.分隔进口时,衬底前沿的含Ga粒子MMGa和DMGaNH2浓度处于同一数量级.随进口温度的升高,前者略有增加,而后者明显增大.当预混合的进口温度超过500 K、分隔进口的进口温度超过800 K时,衬底前沿的MMGa和DMGaNH2的峰值或明显下降、或明显离开衬底,使得含Ga粒子的浓度梯度显著下降,造成生长速率下降.     

加合反应对MOCVD生长GaN化学反应路径的影响

针对分隔进口垂直高速转盘式(RDR)MOCVD反应器生长GaN的气相化学反应路径进行数值模拟研究.分别考虑TMG与一个NH3的加合反应(模型1)和TMG: NH3与第二个NH3的加合反应(模型2)两种情况,通过对比两种情况下衬底表面附近主要反应前体的浓度大小,判断GaN生长的主导反应路径.通过分析模拟结果发现:只考虑TMG与一个NH3的加合反应时,GaN生长主要遵循TMG热解路径;在考虑TMG: NH3与第二个NH3的加合反应时,GaN生长主要遵循加合路径.由此可见,TMG: NH3与第二个NH3的反应对于MOCVD生长GaN的化学反应路径的选择具有很大的影响.     

行星式MOCVD反应器进口结构对AlN生长的气相反应和生长速率的影响

针对行星式MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)反应器进口结构对AlN生长的化学反应路径和生长速率的影响进行数值模拟研究,通过改变反应器进口形式、数量以及隔板位置发现,二重进口反应器倒置进口(即Ⅲ族在下,Ⅴ族在上)时,衬底前端的含Al粒子浓度明显升高,尤其是MMAl的浓度比传统进口反应器高两个数量级,气相反应中热解路径占主导,薄膜生长速率明显提高.在倒置进口的基础上优化隔板位置,生长速率略微降低,但薄膜均匀性明显改善.当反应器进口数量从二重变为三重和五重,反应从热解路径占主导变为热解路径和加合路径共同作用,薄膜生长速率逐渐增加,而均匀性明显改善.     

MOCVD生长AlN的化学反应-输运过程数值模拟研究

针对垂直转盘式MOCVD反应器生长AlN的化学反应-输运过程进行数值模拟研究,特别探讨了反应室高度、操作压强和加合物衍生的三聚物对AlN生长的化学反应路径的影响.研究结果表明,AlN在MOCVD生长中以Al(CH3)3和NH3的加合路径为主,Al(CH3)3的热解路径很弱;加合路径衍生的二聚物是薄膜生长的主要前体,三聚物是纳米粒子的主要前体;降低反应室高度,寄生反应减弱,热解路径加强,使生长速率增大;增大压强,寄生反应加剧,使生长速率下降;添加由三聚物参加的表面反应后,生长速率提高了近4倍,证明三聚物不参加薄膜生长,只是提供纳米粒子前体.     

喷淋式MOCVD反应器中AlN的生长速率和化学反应路径的数值模拟研究

利用数值模拟方法,结合反应动力学和气体输运过程,研究喷淋式MOCVD反应器中AlN的生长速率和气相反应路径与反应前体流量(NH₃和 H₂)、进口温度、压强、腔室高度等参数的关系。研究发现:薄膜生长前体和纳米粒子前体的浓度决定了不同的生长速率和气相反应路径。在低Ⅴ/Ⅲ比(2 000)、高H₂流量(12 L/min)、高进口温度(700 K)、低压强(2 kPa)、低腔室高度(5 mm)等条件下,气相反应路径由加合路径和热解路径并存,生长速率较高。反之,化学反应路径则由加合路径主导,生长速率较低。上述参数对反应路径的影响原因包括:气体流量(NH₃和H₂)较大,反应前体被带出生长区域或被稀释;低压强和低腔室高度使粒子碰撞频率降低、驻留时间缩短,进而削弱了寄生反应;进口温度导致温度梯度的变化。     

多片式热壁 MOCVD 反应器的设计与数值模拟分析

本文提出一种多反应腔并联的水平热壁 MOCVD 反应器,反应器上下(左右)壁面都采用高温,减少了热泳力的排斥作用,提高了衬底上方的 TMG 浓度.由于取消了传统反应器的冷壁,减少了寄生产物的凝结,提高了反应前体的利用率和 GaN 的生长速率.可以多个反应腔并联生长,从而实现反应器的扩容.针对这种热壁式反应器,结合 GaN 的 MOCVD 生长进行了二维数值模拟,计算了不同流速、高度、长度和压力时反应器内流场、温场、浓度场分布以及生长速率,发现存在一个最佳的气体流速、反应器高度和长度条件,在此条件下,反应前体的产生与沉积达到平衡,从而有效抵消反应前体的沿程损耗,实现均匀的 GaN 生长.     

一种多喷淋头式MOCVD反应器的设计与数值模拟

提出了一种多喷淋头式MOCVD反应器.针对新型反应器,对GaN生长的MOCVD过程进行了数值模拟,模拟考虑了热辐射和化学反应,计算了反应器内流场、温场和浓度场,导流(筒)壁面的寄生沉积以及GaN生长速率,并分析了反应室几何因素对生长均匀性的影响.模拟结果显示,衬底表面大部分区域具有均匀的温场和良好的滞止流.通过对浓度场和GaN生长速率的分析,得出MMGa是薄膜生长的主要反应前体.通过对反应器高度H、导流筒与托盘间距h、导流筒半径R等参数的优化,给出了提高薄膜生长速率和均匀性的条件.     

GaN-MOVPE气相自由基反应的量子化学研究

利用量子化学的密度泛函理论(DFT),对TMG/NH₃/H₂体系中自由基参与的金属有机气相外延(MOVPE)反应进行计算分析,特别针对H、NH₂自由基对Ga(CH₃)₃(简称TMG)热解路径、氢解路径以及加合路径的影响进行研究。通过计算不同反应路径的吉布斯自由能差ΔG和能垒ΔG^*/RT,确定了自由基参与的气相反应在不同温度下不同的反应路径。研究发现:当T<683 K时,TMG与NH₃反应生成加合物TMG:NH₃。当T>683 K时,TMG:NH₃重新分解为TMG和NH₃。TMG在MOVPE温度下很难直接热解,在H自由基作用下则易热解产生Ga(CH₃)₂(简称DMG)、GaCH₃(简称MMG)和Ga原子。当T<800 K时,TMG与NH₃的氨基反应速率大于自由基参与的热解反应,故氨基反应占主导;当T>800 K时,自由基参与的TMG热解反应速率大于氨基反应,故热解反应占主导。氢解反应由于能垒很高,因此可忽略。TMG及其热解产物与NH₂自由基反应很容易产生氨基物。氨基物DMGNH₂可以与H自由基继续反应,最终生成表面反应前体GaNH₂。     

氮化镓生长反应模型与数值模拟研究(Ⅱ)

本文运用提出的MOCVD生长GaN的核心反应模型,耦合化学反应动力学和输运过程,对新型切向喷射式MOCVD反应器,进行了三维数值模拟。得到反应器内部温场、流场、反应产物以及GaN的生长速率的分布。数值模拟得到的生长速率与文献中的实验值较为吻合,验证了模型的可行性。与传统垂直喷射式进行对比,发现优化后的新型反应器对反应源的利用率较高,在一定区域内沉积速率更为均匀。此外,文中还发现新型反应器适应生长预反应强烈的薄膜材料。