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.     

MOVPE生长GaN的表面反应机理

利用量子化学的 DFT 理论,对 MOVPE 生长 GaN 薄膜的表面初始反应机理进行研究。通过计算GaCH3和NH3在GaN(0001)-Ga面的4种吸附位的能量曲线发现,GaCH3在各吸附位的吸附能差值不大,因此容易在表面迁移;而NH3在各吸附位的吸附能差值较大,最稳定吸附位为Top位,迁移到其他位置需要克服较大能垒。在此基础上,提出了以NH3和 GaCH3为表面生长基元,在GaN(0001)-Ga面连续生长,最终形成环状核心的二维生长机理：在环状核心形成过程中,第1个GaN核生长需要3个NH3和1个GaCH3,可表示为Ga( NH2)3。第2个GaN核生长可利用已有的1个N作为配位原子,故只需2个NH3和1个GaCH3。2个GaN核可表示为( NH2)2 Ga-NH-Ga( NH2)2。第3个GaN核生长可利用已有的2个N作为配位原子,故只需要1个NH3和1个GaCH3。3个GaN核构成环状核心,可表示为Ga3( NH)3( NH2)3。后续的生长将重复第2个核和第3个核的生长过程,从而实现GaN薄膜的连续台阶生长。     

AlN的MOCVD生长中表面吸附的量子化学研究

利用量子化学的密度泛函理论(DFT),对AlN的MOCVD生长中表面反应前体MMAl、DMAlNH2分别在理想、NH2覆盖AlN (0001)-Al面的吸附进行研究.通过分析表面吸附位、吸附能、分波态密度图等,确定可能的稳定吸附结构和吸附倾向.研究发现:在理想和NH2覆盖的AlN(0001)-Al面,MMAl吸附在T4位和H3位,吸附概率相近,MMAl与表面形成3个Al-Al8键(理想AlN表面)或3个Al-N8键(NH2覆盖的AlN表面).在理想AlN表面,DMAlNH2吸附在Top-Top位,与表面形成N-Al8键和Al-Al8键;在NH2覆盖的AlN表面,DMAlNH2吸附在Top位,与表面形成Al-N8键.对比两种粒子在理想和NH2覆盖表面的吸附能,发现在理想表面DMAlNH2的吸附能大于MMAl,即DMAlNH2优先吸附;在NH2覆盖表面,MMAl的吸附能明显大于DMAlNH2,即MMAl优先吸附.     

硅晶体生长固液界面形貌研究

结合杰克逊界面理论、分子动力学模拟(MD)和密度泛函理论(DFT),对硅晶体(100)和(111)面生长过程中固液界面形貌进行研究,包括界面自由能变化、结构变化和生长位置吸附能等.通过杰克逊界面理论计算,发现(100)界面晶相原子和流体相原子在表面各占约50;时吉布斯自由能达到极小值,而(111)界面在表面占比约0;或100;时达到极小值,说明当热力学平衡时,(100)面趋向于粗糙面,(111)面趋向于光滑面;分子动力学模拟显示,随着生长的进行,初始光滑的固液界面在(100)面上会逐渐转变为粗糙界面,而(111)面则始终保持光滑界面生长;且在生长过程中,(100)面的生长速率明显高于(111)面,因为(100)面始终为粗糙面生长;DFT计算发现,(100)面上的所有生长位置吸附能接近,可以实现连续生长,(111)面吸附能则存在明显的差值,生长原子需要吸附在台阶处才能进行层状生长.     

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。     

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.     

MOVPE生长GaN薄膜的表面吸附和扩散研究

利用量子化学计算方法,对MOVPE生长GaN薄膜的表面反应进行研究.特别针对反应前体GaCH3(简称MMG)在理想、H覆盖和NH2覆盖GaN(0001)面的吸附和扩散进行计算分析.通过建立3×3 超晶胞模型,优化计算了MMG在三种不同覆盖表面的稳定吸附位、吸附能和电子布居,搜寻了MMG在稳定吸附位之间的扩散能垒.计算结果表明:对于三种表面,MMG的稳定吸附位均为T4位和H3位,H3位比T4位略微稳定.MMG在NH2覆盖表面吸附能最大,在H覆盖表面吸附能最小,在理想表面吸附能居中.MMG中的Ga与不同的表面原子形成的化学键的键强的大小顺序为:Ga-N>Ga-Ga>Ga-H.相比于理想表面和H覆盖表面,MMG在NH2覆盖表面的扩散能垒最大,因此表面过量的NH2会抑制MMG的扩散.     

垂直式MOCVD反应器中热泳力对浓度分布的影响分析

从分子动力学理论出发,推导出垂直式MOCVD反应器中热泳力和热泳速度与温度、温度梯度、压强、粒子直径的关系式,以及热泳速度与扩散速度、动量速度平衡时的关系式.在典型的生长条件下,计算得到在温度T=605K时,热泳速度与扩散速度、动量速度动量平衡,TMGa浓度达到最大.然后在不考虑化学反应和考虑化学反应两种情况下,针对垂直式MOCVD反应器内的热泳力对粒子浓度分布和沉积的影响进行数值模拟,模拟给出反应粒子在反应器不同进口温度、衬底温度时的温度分布、浓度分布和反应速率.并与文献中的实验值进行对比,模拟结果与实验值有很好的吻合.     

μ-PD法蓝宝石纤维晶体生长中传热传质的数值模拟

在μ-PD法纤维蓝宝石单晶生长中,利用Comsol软件数值分析了陶瓷管开裂现象、熔体对流和磁场分布.结果表明,试验中陶瓷管保温层总是在距底部0.03 m处断裂,数值模拟发现该处为温度和Von Mises应力最高点位置,验证了数值模拟的准确性;适当增大陶瓷管保温层厚度有利于降低陶瓷管温度,从而降低其开裂概率;熔体对流中Marangoni对流占主导,浮力对流可忽略;磁场分布能够满足μ-PD法蓝宝石晶体生长需求,“趋肤效应”使最高温度位于铱坩埚最上端.     

MOCVD水平式反应器中热泳力对沉积过程中反应前体浓度分布的影响分析及数值模拟

在MOCVD反应器中,针对GaN生长中的TMGa分子,推导出热泳力、热泳速度以及扩散速度的计算公式.在低温区,热泳速度大于扩散速度;在高温区则相反.影响热泳力的主要因素为温度梯度和分子直径.水平式反应器内,粒子同时受到热泳速度和扩散速度的影响.在只考虑组分输运以及包括化学反应等两种情况下,通过改变反应器上壁面温度,模拟得到水平式反应器中热泳力对沉积速率以及反应物粒子浓度分布的影响.并与文献中的实验数据对比,验证了模拟结果的正确性.结果显示,由于热泳力的影响,在相同操作条件下高温区H2等小直径粒子的质量分数增大、TMGa和NH3等大分子粒子的质量分数减小.从提高生长速率的角度,需减小上下壁面温度梯度;从沉积均匀性的角度,应使到达下游的反应粒子数增多,故需增大上下壁面温度梯度.