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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

反向流动垂直喷淋式MOCVD反应器设计与数值模拟

本文分析了现有的MOCVD反应器存在的不足,提出了一种新型的反向流动垂直喷淋式反应器:反应气体从基片上方的许多平行小喷管喷入反应区,反应后的尾气又从基片上方出口排出,从而减少了反应物浓度沿衬底径向的不均匀性.通过对反应器进行三维数值模拟,改变喷管的中心距、喷管端与衬底的距离、流量、气体压强等参数,确定了反应室内衬底上方温度场与浓度场为最佳时的参数组合.     

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.     

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.     

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。     

大气开放式MOCVD氧化镁薄膜的生长及表征

以2,4-乙酰丙酮化镁为前驱体,衬底温度为480℃,采用MOCVD工艺,分别在玻璃、氧化铝陶瓷、单晶Si(111)和Si(100)衬底上生长了取向生长的氧化镁薄膜。X射线衍射结果表明,无论是采用玻璃、氧化铝、单晶Si(111)和Si(100)衬底,氧化镁薄膜都是沿着(100)晶面取向生长。通过扫描电镜观察得到,在单晶Si(100)衬底上生长的氧化镁薄膜表面平整致密。模拟卢瑟福背散射结果显示,沉积时间超过70min时,界面处发生硅向氧化镁层少量扩散现象。     

采用MOCVD法在p型Si衬底上生长Zn0薄膜

采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法在p型Si(100)衬底上生长未掺杂的n型ZnO薄膜.在不同的生长温度下,c轴取向ZnO薄膜被生长在Si衬底上,生长所采用的锌源为二乙基锌(DEZn),氧源为氧气(O2).通过X射线衍射(XRD)、光电子能谱(XPS)和荧光光(PL)谱研究了薄膜的结构和光学特性.研究表明温度为610℃时生长的ZnO薄膜显示最好的结构和光学特性.此外,所生长n-ZnO/p-Si异质结的I-V特性曲线都表现明显的整流特性,且反向漏电流很小.在620℃生长的异质结的漏电流相对最大,大于在其它温度下生长的异质结的漏电流.     

立式MOCVD反应室中一种刻槽基座的热分析

在立式感应加热的氮化物MOCVD反应室中, 提出了一种刻槽结构的基座;利用有限元法,给出了使衬底温度分布最均匀的槽的位置和大小.与传统的基座相比,这种刻槽优化后的基座,使衬底温度分布的均匀性显著提高.另外,通过对基座温度随加热时间变化的分析,发现刻槽基座的热传导规律,即刻的槽改变了基座中感应产生热量的热传导方向,衬底中的热量是由槽上下基座部分传递而来的,且随时间的增大,基座的温度趋于恒定,衬底的温度趋于均匀,均匀的衬底温度有利于提高生长薄膜的质量.     

薄膜厚度对MOCVD法沉积ZnO透明导电薄膜的影响

本文研究了薄膜厚度对MOCVD技术制备未掺杂ZnO薄膜的微观结构和电学特性影响.XRD和SEM的研究结果表明,随着薄膜厚度的增加,ZnO薄膜(110)峰趋于择优取向,且晶粒逐渐长大,薄膜从球状和细长棒状演变为具有类金字塔绒面结构特征的ZnO薄膜;Hall测量表明,较厚的ZnO薄膜有助于提高薄膜电学特性,可归于晶粒长大和晶体质量提高.40min沉积时间(膜厚为1250nm)制备出的ZnO薄膜具有明显绒面结构,其晶粒尺寸为300～500nm,电阻率为7.9×10-3Ω·cm,迁移率为26.8cm2/Vs.     

MOCVD法在蓝宝石衬底上生长GaN薄膜的性能研究

本文采用MOCVD法分别在a面和c面蓝宝石衬底上生长出7层InGaN/GaN多量子阱结构的GaN薄膜,采用X射线衍射(XRD)、拉曼光谱仪、吸收光谱等手段对样品进行表征.分析表明:a面蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜(样品A)的FWHM为781.2 arcsec,c面蓝宝石衬底上生长的GaN薄膜(样品B)的FWHM为979.2 arcsec.样品A和样品B中存在的压应力分别为0.8523 GPa和1.2714 GPa,薄膜的能带宽度(理论值为3.4 eV)分别为3.38 eV和3.37 eV.以上数据表明a面蓝宝石衬底上生长出来GaN薄膜的结晶质量较好,光学性能更优异.