资源描述：
《MOCVD生长GaN材料的模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第26卷第4期半导体学报Vol.26No.42005年4月CHINESEJOURNALOFSEMICONDUCTORSApr.,20053MOCVD生长GaN材料的模拟郭文平邵嘉平罗毅孙长征郝智彪韩彦军(清华大学电子工程系集成光电子学国家重点实验室,北京100084)摘要:基于计算流体力学在三维空间中模拟了水平行星式金属有机物化学气相沉积(MOCVD)反应器生长GaN材料的流场、热场、反应物与生成物的分布以及材料生长速率等重要物理参数.计算结果与同样条件下的实验结果吻合程度相当高,表明化学反应机理和计算方法是非常可靠的,能够以此来模拟和指导GaN基材料的MOCVD生长工艺.研究并讨论了GaN
2、的MOCVD生长中输入Ⅴ/Ⅲ比、进气口双束流上下比、总流量、反应室压力等工艺条件对局域Ⅴ/Ⅲ比的影响.关键词:GaN;MOCVD;计算流体力学;模拟;局域Ⅴ/Ⅲ比PACC:6855中图分类号:TN3041055文献标识码:A文章编号:025324177(2005)0420735205例如工艺参数变化对局域Ⅴ/Ⅲ比的影响.因此,很1引言有必要利用计算流体力学(CFD)方法来模拟商用MOCVD系统在各种工艺条件下生长GaN材料的GaN基材料已经在高效率光电子器件和高温结果.[1～3]大功率电子器件方面获得了广泛的应用.目前,本论文将在三维空间中模拟德国AIXTRON金属有机物化学气相沉积(MOC
3、VD)技术已经成为公司生产的AIX2000HT型行星式水平MOCVD生长高质量GaN基材料与器件结构的最主要方法.反应器生长GaN材料的流场、热场、反应物与生成GaN材料的MOCVD生长通常需要在诸如高Ⅴ/Ⅲ物的分布以及材料生长速率等重要物理参数.同时,比等不同于普通Ⅲ2Ⅴ族化合物半导体材料的生长论文还将研究GaN的MOCVD生长中输入Ⅴ/Ⅲ条件下进行,同时生长机理也较为复杂.因此,材料比、进气口双束流上下比、总流量、反应室压力等工研究人员需要对生长工艺进行模拟以便快速获得艺条件对局域Ⅴ/Ⅲ比的影响.GaN基材料的MOCVD生长的流体力学、热传导、反应物与生成物的反应与输运属性等方面的信息,
4、2基本模型以增加对MOCVD工艺的直观认识,从而指导工艺过程与工艺参数的优化.本文研究的AIX2000HT型行星式水平目前商用MOCVD设备不仅被大量用于GaNMOCVD反应器的基本结构如图1所示.金属有机材料与器件的批量生产,同时也被越来越多的研究物(MO)和载气从位于反应室中部的喷嘴(Nozzle)机构用来进行GaN材料与器件的基础研究与应用上方注入,Ⅴ族氢化物(Hydride)和载气从Nozzle开发.虽然世界上几个MOCVD设备的主要供应商的下方贴着衬底托盘(Susceptor)注入反应室.均发表了一些研究论文,报道各自类型的MOCVD根据流体力学理论,反应室中的CFD模型为一[4～
5、8]的GaN生长工艺的数值模拟结果,但给出的结组耦合偏微分方程.这些方程分别描述反应室中气果都较粗略,没有根据研究的需要来改变各种参数,体的质量、动量、能量以及混合物中各反应物和生成3国家高技术研究发展计划(批准号:2001AA313130,2001AA312190),国家重点基础研究发展计划(批准号:TG2000036601)和国家自然科学基金(批准号:60244001)资助项目2004204213收到,2004210229定稿Z2005中国电子学会736半导体学报第26卷工艺条件下的GaN外延生长对比实验.在本文的对比生长实验中,NH3和TMGa(三甲基镓)分别作为GaN生长的N源和Ga
6、源,H2作为载气.反应室衬底托盘的温度固定在1323K并且以10r/min的速度旋转,反应室顶壁的温度固定在623K,TMGa的流量固定在150μmol/min.所有这些工艺条件均与模拟中的工艺条件一致,以保证模拟结果与实验结图1AIX2000HT型MOCVD反应室结构剖面图[9]果的可比性.Fig.1SchematicdiagramofAIX2000HTMOCVDre2其化学反应机理可以表示为以下的各气相反应actor[9][11]方程和表面沉积反应方程:(1)气相反应[10]物的输运.其具体方程形式如下:(G1)Ga(CH3)3→Ga(CH3)2+CH3(7)质量方程:(G2)Ga(CH
7、3)2→Ga(CH3)+CH3(8)¨·(ρv)=0(1)(G3)Ga(CH3)3+NH3→(CH3)3Ga∶NH3(9)动量方程:(G4)(CH3)3Ga∶NH3→Ga(CH3)3+NH3(10)¨·(ρvv)=-¨p+¨·μ(¨v)+ρg(2)(G5)(CH3)3Ga∶NH3→(CH3)2Ga∶NH2+CH4能量方程:(11)ρCp¨·(vT)=¨·(k¨T)(3)(G6)3(CH3)2Ga∶NH2→[(
