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1、第19卷第6期半 导 体 光 电Vol.19No.61998年12月SemiconductorOptoelectronicsDec.1998①②MOCVD生长GaN的两种反应机制陈 鹏 沈 波 杨 凯陈 浩 赵卫强 陈志忠 郑有 (南京大学,南京210093)摘 要:用MOCVD生长GaN的过程中,由于NH3与TMG化学性质的巨大差异,以及通常1000℃以上的生长温度,使得其中反应过程比较复杂,且多种反应并存。文章首先对这样一个多元体系运用原子系数矩阵,计算出反应体系中存在的独立反应方程,得到两组代表不同反应机制的独立反应。描述了两组反应的主要特征。计算
2、了以NH3为氮源,以TMG为镓源,MOCVD生长GaN过程中各种热力学平衡参数。由计算结果知,NH3的不彻底分解的反应是MOCVD中正常生长GaN的化学反应。关键词:氮化镓 独立反应方程 热力学平衡 并入率中图法分类号:TN304.054;O649.41TwokindsofreactionmechanismforGaNgrowthbyMOCVDCHENPongSHENBuoYANGKaiCHENHaoZHAOWeiqiangCHENZhizhongZHENGYoudou(NanjingUniversity,Nanjing210093,CHN)Abstra
3、ct:DuetothedifferenceinchemicalpropertybetweenNH3andTMG,andgrowthtem2peratureofover1000℃,theprocessofGaNgrwothismorecomplexandexistsvariousreactions.Inthisletter,twogroupsofindependentreactionsrepresentingdifferentreactionmechanismareobtainedbycalculatingtheatomiccoefficientmatri
4、x.Thecharacteristicsoftwogroupsofthereactionsarede2scribed.TheparametersofthermodynamicequilibriumarecalculatedduringtheprocessofGaNgrowthbyMOCVDusingNH3asNsourceandTMGasGasource.Theresultshowsthattheincompletede2compositionforNH3willleadtoregulargrowthofGaN.Keywords:GaN,Independ
5、entReactionEquation,ThermodynamicEquilibrium,CombinationRate1 引言术提供了一种制备这种材料的强有力的手段,现在不仅获得了高质量的GaN外延材料,而且初步实现近年来,以GaN为代表的Ⅲ-Ⅴ族氮化物宽带了器件商品化。隙半导体材料的研究和应用取得了突破性的进展,MOCVD系统中的外延生长过程在远离平衡时成为半导体材料研究的一个热点。尽管氮化物半导就已经发生了,但不论是常压MOCVD还是低压体材料很早就被发现,但由于材料制备非常困难,从MOCVD,衬底表面滞流层内,扩散是各种分子输运而长期阻滞了对其物
6、性的研究和应用。MOCVD技的主要机制。在此滞流层内与衬底的气固界面,可以建立准热力学平衡。不少研究者已经利用热力学①1998-01-23收稿;1998-04-14定稿②国家863计划资助项目©1995-2004TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.第19卷第6期 陈 鹏等:MOCVD生长GaN的两种反应机制 367平衡模型成功地对AlGaInAsP等Ⅲ-Ⅴ族材料体由前面的化学反应方程式,可以得到下面相应[1～3]系的生长进行了表述。在GaN
7、外延生长过程的平衡方程中,由于TMG在550℃以下便热分解,NH3的裂解对反应(Ⅰ)3/2-1-1能很高,通常生长温度超过1000℃,而其高温平衡K1=PH·PNH·PGa(1)23分压却很小,以及高温下Ga会与N2反应,GaN的1/2K2=PN·PGa(2)[4、5]2表面平衡N2分压随温度变化剧裂,都使得对反应(Ⅱ)MOCVD中高温生长GaN过程较其他Ⅲ-Ⅴ族材-2/3-1/2K3=PNH·PH·PN(3)料的更加复杂。322-1/2本文通过对GaN反应体系化学反应的分析和K4=PN2·PGa(4)热力学计算,得到正常生长GaN的化学反应。这里,K1
8、,K2,K3,K4是平衡常数,Pi为界面附近组分i的平衡分压,用组分摩尔分量(n
