《氮化鎵MOCVD生長中的氣相寄生反應研究》是依託江蘇大學，由左然擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：氮化鎵MOCVD生長中的氣相寄生反應研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：左然
- 依託單位：江蘇大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在氮化鎵薄膜MOCVD生長中，存在嚴重的氣相寄生反應，不僅對薄膜沉積所需的反應前體造成浪費，而且使薄膜厚度和組分的均勻性嚴重依賴生長溫度、壓強、反應器形狀等參數，造成生長控制困難，薄膜質量下降。最佳化氣相反應路徑，抑制寄生反應，對於提高薄膜質量和生長效率至關重要。本課題將在總結已有的關於溫度、壓強、濃度等操作參數影響的基礎上，重點研究MOCVD反應器幾何參數對GaN生長反應路徑的影響。將針對典型的MOCVD反應器的進口段、混合段、生長區，計算不同位置的氣體駐留時間和反應速率，並結合計算機數值模擬，確定反應路徑與反應器幾何參數的關係。同時針對模擬真實MOCVD過程的流動管反應器進行紫外吸收光譜測量和粉末沉積化學分析，來對照和修正理論預測。研究結果將加深對GaN生長機理的認識，實現對GaN薄膜生長過程的最佳化。
結題摘要
GaN薄膜的 MOCVD生長是半導體光電產業的關鍵工藝。在GaN的MOCVD 生長中，存在嚴重的氣相寄生反應，不僅耗費了寶貴的反應前體，而且使薄膜生長質量難以控制。最佳化氣相反應路徑，抑制寄生反應，對於提高薄膜質量和生長效率至關重要。本課題利用理論分析、數值模擬和實驗測量，研究GaN 的MOCVD生長的氣相反應路徑及其主要影響因素，主要進行了四方面工作： 1、歸納總結了前人關於GaN的MOCVD氣相反應的主要實驗結果，發現前人關於兩條主要反應路徑（熱解路徑和加合路徑）的爭議，很可能是由於採用的進口氣體混合和加熱條件不同造成，從而提出取決於氣體進口方式的三種主要氣相反應路徑：路徑（1）氣體在室溫下預混合進入反應器並逐漸加熱，加合物將重新分解為TMG和NH3，TMG在高溫區熱解為MMG，提供薄膜生長；路徑（2）氣體分隔進入反應器，中溫加熱，加合物越過能障變為氨基物，一部分擴散至高溫襯底並分解，提供薄膜生長；另一部分則聚合為納米粒子；路徑（3）氣體幾乎不混合，快速到達高溫襯底，TMG直接熱解為MMG，提供薄膜生長。 2、針對三種典型的MOCVD反應器（垂直轉盤式、噴淋式、水平式）的流場、溫場、濃度場進行數值模擬研究，模擬採用與文獻相同的反應器條件，驗證對比了模擬與文獻生長速率的一致性。通過對比反應器的進口段、混合段、生長區不同反應前體的濃度，確定了限制生長速率的主要前體，進而確定了主要的反應路徑。模擬結果與前述的GaN氣相反應機理基本吻合。模擬發現，高速轉盤式反應器遵循路徑1，即加合物可逆分解路徑；噴淋式反應器遵循路徑3，即直接熱解路徑；對於水平式反應器，如果預混合噴入，則遵循路徑2，如果分隔進口，則高溫襯底傾向於路徑1，低溫上壁傾向於路徑2。 3、利用量子化學的DFT理論，研究了進口溫度對GaN和AlN化學反應路徑的影響。研究表明：對於TMX的加合反應，當T=Teq (Teq≈530K for TMGa and Teq≈473K for TMAl)，反應達到平衡。當TTeq，加合物將重新分解，但需克服一定的能壘。隨著溫度的升高，從加合物變為氨基物DMXNH2的機率增加，但TMX直接熱解的機率也增大。二者將相互競爭。 4、實驗測量了MOCVD水平反應器中的GaN紫外光譜，但由於測量誤差，未觀測到相關粒子的吸收峰。目前仍在改進。
