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。     

垂直转盘式MOCVD反应器中GaN化学反应路径的影响研究

对垂直转盘式MOCVD反应器生长GaN的气相化学反应路径进行研究.结合反应动力学模型,分别采用预混合进口但改变反应腔高度,以及采用环形分隔进口,对反应器的温场、流场和浓度场进行CFD数值模拟,由此确定反应器结构参数对化学反应路径的影响.通过观察主要含Ga粒子的浓度分布以及不同反应路径对生长速率的贡献,判断该反应器可能采取何种反应路径.研究发现,RDR反应器的主要反应路径是TMG热解为DMG,DMG为薄膜沉积的主要前体.反应腔高度变化对反应路径影响较小,但生长速率略有增大;当从预混合进口改为环形分隔进口时,生长更倾向于TMG热解路径,同时生长速率增大,但均匀性变差.     

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.     

切向喷射式MOCVD反应器的设计与数值模拟

本文提出一种新的切向喷射式MOCVD反应器,反应气体从均匀分布于内壁的切向进口喷管喷入反应器,尾气从位于反应器中心的上方或下方出口排出.通过切向喷射,使气体发生人工可控的螺旋流,在水平方向逐渐旋转与加速,从而补偿反应物浓度从边缘进口到中心出口的沿程损失,以便获得均匀的薄膜沉积.针对新的反应器设计,结合GaN的MOCVD生长进行了三维数值模拟,确定了喷管夹角、喷管数目和反应器高度对生长区的温场、流场和浓度场的影响,优化了参数组合,并与传统的垂直喷射式反应器作了对比.此外,这款新型反应器能够摆脱复杂的托盘旋转系统.     

反向流动垂直喷淋式MOCVD反应器生长GaN的化学反应数值模拟

本文提出了MOCVD生长GaN的表面循环反应模型,将该反应模型应用于作者新近提出的反向流动垂直喷淋式反应器,进行三维数值模拟.得出反应器内流速、温度和TMGa浓度分布,以及GaN的生长速率分布.将此计算结果与传统的反应器情况进行对比,发现在相同参数情况下,两种反应器的衬底上方温度分布都比较均匀,近衬底处温度梯度较大,高温区域被压制在离衬底较近的区域,流线均比较平滑,在衬底上方没有明显的旋涡;新型反应器内反应气体在近衬底处的浓度均匀性以及GaN在基片表面的沉积均匀性都优于传统反应器,但沉积速率小于后者,大约只有后者的1/2.     

径向三重流MOCVD反应器生长GaN的数值模拟

采用计算流体力学方法对生长半导体材料GaN的重要设备三重进口行星式MOCVD (金属有机物化学气相沉积) 反应室中的输运过程进行了二维数值模拟.从浓度场的角度分析反应器内衬底上方NH3和TMGa的浓度影响因素.根据对模拟结果的分析,发现较均匀的流场对应衬底上方的反应物浓度较高,降低反应器内压强,也可获得衬底上方较高的反应物浓度,由于MOCVD反应器内有较大的温差,因此热扩散效应不能忽视.     

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.     

加高喷头MOCVD压强对生长影响的研究

以低速旋转、加高喷头、垂直喷淋的MOCVD反应室为对象,运用三维数学输运模型分析与计算.在模拟过程中分析了压强的变化对高喷头反应室流场的影响,着重分析与讨论了操作压强变化与GaN薄膜的沉积一致性及平均生长速率的关系,其次探讨了实验值与模拟值对比结果,从而对薄膜的均匀性及平均生长速率进行一定的预测,最终得到以基准工艺参数为前提的最佳压强设定范围为6650～13300 Pa.模拟跟实验结果表明:减小压强有利于薄膜的均匀性,压强较大时,平均生长速率大,但压强较大时极易引起流场不稳.     

氮化物MOCVD反应室流场的仿真与分析

在立式MOCVD反应室中,通过对生长氮化镓(GaN)薄膜材料的仿真,发现衬底表面反应物三甲基镓物质的量的浓度分布与实际生长的GaN薄膜的厚度分布一致,同时,仿真结果表明,薄膜的厚度分布与反应室内涡旋的分布相关.通过分析涡旋产生的原因,对反应条件和反应室的几何条件作了进一步优化,发现在较低的反应室压强、较低的壁面温度和较大的气体入口半径条件下,能使涡旋明显减小,提高薄膜生长的均匀性.     

大尺寸HVPE反应器寄生沉积的数值模拟研究

在氢化物气相外延(HVPE)生长GaN厚膜中,反应腔壁面总会产生大量的寄生沉积,严重影响薄膜生长速率及质量.本文针对自制的大尺寸垂直式HVPE反应器,通过数值模拟与实验对比,研究了反应腔壁面沉积以及GaN生长速率的分布规律,特别是寄生沉积分布与载气流量的关系.研究发现:在基准条件下,顶壁寄生沉积速率由中心向边缘逐渐降低,与实验结果吻合;侧壁沉积出现8个高寄生沉积区域,对应喷头边缘处排布的GaCl管,说明沉积主要取决于GaCl的浓度输运;模拟得出的石墨托表面生长速率低于实验速率,但趋势一致.保持其他条件不变,增大NH3管载气N2流量,顶壁和侧壁的寄生沉积速率及分布区域均随之增大,石墨托表面生长速率随之减小而均匀性却随之提高;增大GaCl管载气N2流量,顶壁和侧壁的寄生沉积速率及分布区域均随之减小,石墨托表面生长速率随之增大而均匀性却随之降低.研究结果为大尺寸HVPE反应器生长GaN的工艺优化提供了理论依据.