氮化镓MOCVD生长中的化学反应与反应器设计的关系研究

By theoretical analysis, numerical modeling and experimental measurement, we investigate the chemical reactions in the GaN MOCVD growth and the effects of the MOCVD reactor geometries and growth conditions on the above reactions. Combining molecular kinetic theory and fluid mechanics, we will derive the gas residence time in the high temperature boundary layer, and thus estimate the probability of parasitic reaction and growth efficiency. By using the density functional theory of quantum chemistry, the lowest energy barrier in GaN reactions will be determined. By combining the computational fluid dynamics and reaction kinetics, a MOCVD reaction-transport model will be built; the flow, temperature and concentration fields in vertical MOCVD reactor will be simulated. The effects of reactor geometry, and heating and mixing methods on the growth rate and the reaction path will be determined. Besides the analysis and simulation, we will build a multi-functional MOCVD reactor test bench, with in-situ gas concentration measurement by UV absorption spectra and ex-situ chemical analysis for wall deposition. Through comparisons of experimental measurements, theoretical predictions and simulation results will be validated.The research will enrich the reaction kinetic theory for group III nitride growth,optimize the growth quality of GaN thin films and provide theoretical guidance for home-made MOCVD reactor design.

从理论分析、数值模拟、实验测量三方面，研究MOCVD生长GaN薄膜的化学反应路径及其与反应器操作参数和几何参数的关系。应用分子运动论、反应动力学和流体力学理论，推导反应前体在高温边界层内的驻流时间，估计寄生反应发生的概率和反应前体的利用率。利用量子化学的密度泛函理论，计算GaN生长的最低能垒，确定反应路径。结合计算流体力学和反应动力学，建立MOCVD反应器的反应-输运模型，对典型的MOCVD反应器生长GaN的流场、温场、浓度场进行数值模拟，找出反应器结构、进气和加热方式对生长速率和反应路径的影响。研制多功能的MOCVD反应器试验台，进行紫外吸收光谱等气体浓度原位测量和壁面沉积化学分析。实验结果将与理论分析和模拟互相验证。研究结果将丰富III族氮化物生长的反应动力学理论，并为提高GaN薄膜生长质量和国产MOCVD反应器的研发提供理论指导。

金属有机化学气相外延（MOCVD）是制备氮化物薄膜的最主要的方法，也是目前国际上高技术领域竞争的热点。本项目研究MOCVD生长GaN/AlN的化学反应机理及其与反应器几何参数和生长参数的关系，从而人为地控制反应路径，优化生长过程。项目针对GaN的MOCVD化学反应路径，开展了结合反应动力学、计算流体力学、以及量子化学的密度泛函方法的理论计算和数值模拟研究。项目在以下几方面取得进展：.1、发现在MOCVD反应室内，中低温和快速混合有利于加合反应路径，高温以及推迟混合有利于热解路径；以CH3和H为主的自由基，取决于V/III比的大小，将分别促进热解反应或氨基物的产生。.2、探讨了TMAl/NH3/H2体系的MOCVD气相反应路径，发现(AlN)2和(AlN)3都在热力学不利于产生，并且动力学上面临着高能垒。因此提出：Al(NH2)3、(MMAlNH)2、(MMAlNH)3是AlN 的MOCVD生长中最可能的三种气相反应产物。.3、发现反应动力学参数（活化能和指前因子）的偏差对模拟结果有重要影响。不同的指前因子和活化能给出不同的反应前体，反应走不同的路径。在不考虑三聚物反应时，预测的生长速率值都与实验值接近。原因在于到达衬底的含Ga粒子的总量变化不大，从而很好地解释了不同文献采用不同的动力学参数进行模拟，都与实验基本吻合的原因。.研究结果将能丰富III族氮化物MOCVD生长的化学反应机理，也将为改进GaN薄膜生长质量、提高生长效率提供重要的理论指导。