氮化镓MOCVD生长中的气相寄生反应研究

在氮化镓薄膜MOCVD生长中，存在严重的气相寄生反应，不仅对薄膜沉积所需的反应前体造成浪费，而且使薄膜厚度和组分的均匀性严重依赖生长温度、压强、反应器形状等参数，造成生长控制困难，薄膜质量下降。优化气相反应路径，抑制寄生反应，对于提高薄膜质量和生长效率至关重要。本课题将在总结已有的关于温度、压强、浓度等操作参数影响的基础上，重点研究MOCVD反应器几何参数对GaN生长反应路径的影响。将针对典型的MOCVD反应器的进口段、混合段、生长区，计算不同位置的气体驻留时间和反应速率，并结合计算机数值模拟，确定反应路径与反应器几何参数的关系。同时针对模拟真实MOCVD过程的"流动管反应器"进行紫外吸收光谱测量和粉末沉积化学分析，来对照和修正理论预测。研究结果将加深对GaN生长机理的认识，实现对GaN薄膜生长过程的优化。

GaN薄膜的 MOCVD生长是半导体光电产业的关键工艺。在GaN的MOCVD 生长中，存在严重的气相寄生反应，不仅耗费了宝贵的反应前体，而且使薄膜生长质量难以控制。优化气相反应路径，抑制寄生反应，对于提高薄膜质量和生长效率至关重要。本课题利用理论分析、数值模拟和实验测量，研究GaN 的MOCVD生长的气相反应路径及其主要影响因素，主要进行了四方面工作：.1、归纳总结了前人关于GaN的MOCVD气相反应的主要实验结果，发现前人关于两条主要反应路径（热解路径和加合路径）的争议，很可能是由于采用的进口气体混合和加热条件不同造成，从而提出取决于气体进口方式的三种主要气相反应路径：路径1）气体在室温下预混合进入反应器并逐渐加热，加合物将重新分解为TMG和NH3，TMG在高温区热解为MMG，提供薄膜生长；路径2）气体分隔进入反应器，中温加热，加合物越过能障变为氨基物，一部分扩散至高温衬底并分解，提供薄膜生长；另一部分则聚合为纳米粒子；路径3）气体几乎不混合，快速到达高温衬底，TMG直接热解为MMG，提供薄膜生长。.2、针对三种典型的MOCVD反应器（垂直转盘式、喷淋式、水平式）的流场、温场、浓度场进行数值模拟研究，模拟采用与文献相同的反应器条件，验证对比了模拟与文献生长速率的一致性。通过对比反应器的进口段、混合段、生长区不同反应前体的浓度，确定了限制生长速率的主要前体，进而确定了主要的反应路径。模拟结果与前述的GaN气相反应机理基本吻合。模拟发现，高速转盘式反应器遵循路径1，即加合物可逆分解路径；喷淋式反应器遵循路径3，即直接热解路径；对于水平式反应器，如果预混合喷入，则遵循路径2，如果分隔进口，则高温衬底倾向于路径1，低温上壁倾向于路径2。.3、利用量子化学的DFT理论，研究了进口温度对GaN和AlN化学反应路径的影响。研究表明：对于TMX的加合反应，当T=Teq (Teq≈530K for TMGa and Teq≈473K for TMAl)，反应达到平衡。当T<Teq，加合反应自发进行；当T>Teq，加合物将重新分解，但需克服一定的能垒。随着温度的升高，从加合物变为氨基物DMXNH2的概率增加，但TMX直接热解的概率也增大。二者将相互竞争。.4、实验测量了MOCVD水平反应器中的GaN紫外光谱，但由于测量误差，未观测到相关粒子的吸收峰。目前仍在改进。