垂直式MOCVD中生長參數對Ga N材料生長的影響

馮蘭勝,過潤秋,張進成

(1.西安電子科技大學機電工程學院,陜西西安 710071; 2.西安電子科技大學微電子學院,陜西西安 710071)

垂直式MOCVD中生長參數對Ga N材料生長的影響

馮蘭勝1,過潤秋1,張進成2

(1.西安電子科技大學機電工程學院,陜西西安 710071; 2.西安電子科技大學微電子學院,陜西西安 710071)

為了更好地研究GaN材料生長過程,筆者對一種垂直噴淋式金屬有機物化學氣相淀積系統生長GaN材料過程中反應物的傳遞和反應過程進行了模擬.模擬結果表明,反應室壓力和進入反應室的氣流速度對Ga N的生長速率和厚度均勻性均有影響.隨著反應氣體進入反應室的速度升高,反應室內預反應會增強,GaN生長速率升高,同時GaN厚度的不均勻性也會升高;在同樣的進氣速率下,反應室壓強減小,可在一定范圍內提高GaN生長速率,但同時增加襯底中央區域厚度,導致厚度不均勻增加.

GaN;金屬有機物化學氣相淀積;生長速率;反應動力學

Ga N是重要的寬帶隙半導體材料,在光電器件、高功率器件等眾多領域有著廣泛的應用.金屬有機物化學氣相淀積(Metal Organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)方法是制備GaN材料的主要手段之一.為了提高GaN的材料質量,國內外很多學者針對MOCVD生長GaN材料的生長動力學過程做了大量研究.文獻[1-2]使用fluent軟件對垂直噴淋式MOCVD中生長GaN的氣體流動、表面反應過程、襯底溫度分布以及生長速率進行了模擬.文獻[3-5]使用分子動力學方法、離散傅里葉變換(Discrete Fourier Transform,DFT)等方法在分子運動層面分析了GaN生長過程.文獻[6-9]對GaN生長過程中的化學反應路徑和反應過程進行了分析.目前,對于GaN生長過程的模擬主要分為宏觀參數模擬和微觀分子運動模擬兩大類.宏觀參數模擬主要用來模擬反應過程中反應物的氣體流動、化學反應濃度分布等過程;微觀分子運動模擬主要用來模擬分子在襯底表面的吸附、擴散、脫附等過程.筆者通過對垂直噴淋式MOCVD系統生長Ga N的生長過程進行模擬,分析對比不同的反應物流速以及不同的反應室壓力對于Ga N生長化學反應過程和生長速率的影響.其主要目的是為優化GaN生長條件、提高GaN生長質量提供參考.

1　化學生長模型與反應室模型

Ga N生長過程中的實際化學反應過程非常復雜,目前很難通過實驗確定其詳細的化學反應過程及相關參數.總體上說,GaN生長涉及的化學反應過程可以分為加合反應和熱解反應.兩類反應的反應條件不同.在氣相傳輸過程中由于環境溫度相對較低,多發生加合反應.隨著反應物接近襯底,溫度逐漸升高,加合反應轉變為熱解反應.文中所涉及的MOCVD系統由于其反應室結構特點,在GaN材料生長過程中,反應氣體在到達襯底之前會充分地進行混合,然后混合氣體逐漸接近襯底,再通過化學反應生成Ga N材料.因此,在氣相傳輸中和襯底表面均發生明顯的化學反應.為了全面地分析GaN材料生長過程,筆者分別模擬了反應物在氣相傳輸過程中和到達襯底后在襯底表面發生的化學反應,其中既有加合反應,也有熱解反應.其化學模型如表1和表2所示.

表1　GaN氣相化學反應

表2　GaN表面化學反應

表1中每種化學反應的反應速率k均遵循Arrhenius公式:k=ATnex( p-Ea/(RT)).指前系數A的單位為cm3/(mol·s).n為溫度指數.Ea為反應發生所需要的活化能,單位為J/(kg·mol),R為理想氣體常數.

文中所涉及的MOCVD設備為西安電子科技大學自行研制的120型MOCVD.該反應室為垂直噴淋式,其模型如圖1(a)所示.對應其內部結構,建立模擬所使用的模型如圖1(b)所示.模型包括反應室進氣口、側壁、石墨上表面(襯底)以及石墨側面的氣流出口.

圖1　120型MOCVD反應室結構圖以及模型圖

2　模擬結果及討論

筆者在模擬中使用的主要反應條件包括:襯底溫度為1 000℃,襯底旋轉速度為60 r/m,V/Ⅲ為2 000,襯底半徑為25 mm,氣體入口半徑為25 mm,入口至襯底高度為225 mm,反應氣體為TMGa、NH3,載氣為H2.

2.1入口氣體流速對GaN生長速率及厚度均勻性的影響

在上述條件下,反應室壓力為40torr(1torr≈133.322 Pa)時,模擬了不同的入口氣體流速下,Ga N的生長過程.圖2所示為入口氣體流速分別為0.01 m/s,0.10 m/s,0.30 m/s,0.50 m/s,0.70 m/s,0.9 m/s時,Ga N沿襯底表面方向的生長速率分布.

根據圖2的模擬結果,隨著入口氣體流速的升高,GaN生長速率因單位時間內反應物增加而升高,但是其生長速率并未與入口氣體流速成比例的升高,同時在襯底表面的分布逐漸趨向不均勻.中心部位和邊緣生長速率相對較低,而且速率增長緩慢,其余區域沿半徑逐漸升高.為了分析原因,筆者對比了不同情況下的GaN表面反應過程.在襯底表面生成Ga N的化學反應過程主要為熱解反應,熱解反應的反應物主要是MMGa(單甲基鎵GaCH3),根據化學反應模型,這是生成GaN材料最主要的物質.MMGa的濃度和分布直接決定了Ga N的生長速率以及厚度分布.不同氣體進口速度所對應的MMGa在襯底表面的分布規律如圖3所示.通過對比發現,MMGa只分布在襯底表面高溫區域中,說明只有在這個高溫區域內發生熱解反應.同時,隨著入口氣體流速的升高,反應物MMGa的分布區域逐漸向邊緣地帶移動,從而引起生長速率分布的變化.

圖2　GaN在不同入口速率下生長速率分布

圖3　不同入口氣流速度下MMGa沿襯底表面的分布

此外,通過對圖3的對比發現,在流速過低或者過高的情況下,進入反應室的反應物質所生成的MMGa都不能很好地分布在襯底表面,從而進一步生成Ga N.筆者對比了不同進口速度下,反應室內的流場分布,其結果如圖4所示.

圖4　不同入口氣流速度下反應室內的流場速度分布圖

通過圖4的流場分布對比圖發現,流速過低時,反應氣體到達襯底表面的難度增加,大部分會在氣體傳輸中發生預反應.流速較高時,根據流場分布圖,反應物會更多地經過襯底邊緣,同樣使得到達中央區域的反應物質減少.因此,適當的氣體入口速度不僅對于材料厚度的均勻性有影響,同時影響反應物的利用率.在Ga N生長中,應該合理調整入口氣體速度,從而獲得更好的GaN材料厚度均勻性,同時提高反應物的利用率.根據實際實驗數據,文中針對的MOCVD系統采用進口氣體速度在0.1～0.3 m/s之間,生長速率在2μm/h左右.同時,其表面厚度分布大致為中心厚度較小,沿半徑方向厚度升高,邊緣地帶又有所降低.特征基本與模擬結果吻合.

2.2入口氣體流速對預反應的影響

圖5為不同的入口氣體流速下,沿反應室高度方向反應物質TMGa∶NH3的分布情況.橫軸代表反應室垂直方向中心線.通過模擬結果發現,反應氣體進入到反應室后,在接近襯底并不斷混合的過程中,逐漸生成TMGa∶NH3,該物質是主要的預反應生成物之一.模擬結果表明,隨著氣流速度的升高,反應產生的TMGa∶NH3增多,從而使得預反應增強,這一方面會降低原材料的利用率,另一方面也會影響材料的質量.從這個角度出發,也應該限制反應過程中的入口氣體流速.

圖5　不同入口氣體速率下的TMGa∶NH3分布

圖6　不同反應室壓力下GaN生長速率

2.3反應室壓力對GaN生長速率的影響

確定了反應室的進口氣體流速后,筆者還通過改變反應室的壓力來對比不同壓力對反應過程的影響.在其他模擬條件不變的情況下,將入口流速設置為0.3 m/s.將反應室壓力分別設置為10,20,40,60,80,單位為torr,對Ga N反應過程進行模擬.根據模擬結果得到不同反應室壓力下Ga N生長速率沿襯底表面的分布曲線如圖6所示.通過曲線可以看出,在不同壓力下,生長速率的分布規律基本相同,均為沿半徑先有增加的趨勢,然后到邊緣部分再降低.但是不同壓力下也有所不同.在低壓下,襯底中央區域的反應速率相對較高,這是由于在壓力低的情況下,反應室內壓力較低,反應物更容易抵達襯底表面中心區域.而在壓力升高時,反應室內氣體密度大,反應物到達襯底表面的區域逐漸外移.因此,適當地設置生長過程中反應室的壓力,既有利于生長速率的提高,又有利于材料厚度的一致性.

3　結 論

筆者針對一種垂直噴淋式MOCVD系統建立了化學反應模型和仿真結構模型.模擬在不同反應條件下,Ga N生長時在傳輸過程中發生的氣相化學反應過程和在襯底表面生成Ga N的表面反應過程.在此基礎上,分別對不同的反應室進口氣體流速和反應室壓力進行了模擬仿真.模擬結果表明,反應室壓力和進入反應室的氣流速度對GaN的生長速率和厚度均勻性均有影響.隨著反應氣體進入反應室的速度升高,反應室內預反應會增強,GaN生長速率升高,同時Ga N厚度的不均勻性也會升高;在同樣的進氣速率下,反應室壓強減小,可在一定范圍內提高Ga N生長速率,但同時增加襯底中央區域厚度,導致厚度不均勻增加.模擬結果與實際實驗得到的Ga N材料特征相符合,進一步驗證了模擬的準確性,是優化Ga N生長條件、提高GaN生長質量的有效方法.

[1]TSENG C F,TSAI T Y,HUANG Y H,et al.Transport Phenomena and the Effects of Reactor Geometry for Epitaxial GaN Growth in a Vertical MOCVD Reactor[J].Journal of Crystal Growth,2015,432:54-63.

[2]ZHANG Z,FANG H S,YAN H,et al.Influencing Factors of GaN Growth Uniformity through Orthogonal Test Analysis[J].Applied Thermal Engineering,2015,91:53-61.

[3]ZHOU A,XIU X Q,ZHANG R,et al.Effect of Lattice Defects on the Property of GaN Crystal:a Molecular Dynamics Simulation Study[J].Superlattices and Microstructures,2015,88:679-684.

[4]KEMPISTY P,STRAK P,SAKOWSKI K,et al.DFT Study of Ammonia Desorption from the GaN(0001)Surface Covered with NH3/NH2 Mixture[J].Journal of Crystal Growth,2014,403:105-109.

[5]TOKOI H,OHTAKE A,TAGO K,et al.Development of GaN Growth Reaction Model Using Ab Initio Molecular Orbital Calculation and Computational Fluid Dynamics of Metalorganic Vapor-phase Epitaxy[J].Journal of the Electrochemical Society,2012,159(5):270-275.

[6]于海群.GaN沉積的化學反應動力學進展[J].材料導報,2012,26(17):21-24. YU Haiqun.The Progress of Chemical Reaction Kinetics with Ga N Deposition[J].Materials Review,2012,26(17): 21-24.

[7]王國斌,張永紅,王懷兵.氮化鎵生長反應模型與數值模擬研究[J].人工晶體學報,2010,139(增刊):160-163. WANG Guobin,ZHANG Yonghong,WANG Huaibing.Reaction Model and Numerical Simulation of Gallium Nitride Growth[J].Journal of Synthetic Crystal,2010,139(S1):160-163.

[8]PARIKH R P,ADOMAITIS R A.An Overview of Gallium Nitride Growth Chemistry and Its Effect on Reactor Design: Application to a Planetary Radial-flow CVD System[J].Journal of Crystal Growth,2006,286:259-278.

[9]FU K,FU Y,HAN P,et al.Kinetic Monte Carlo Study of Metal Organic Chemical Vapor Deposition Growth Dynamics of Ga N Thin Film at Microscopic Level[J].Journal of Applied Physics,2008,103(10):103524.

[10]許晟瑞,段渙濤,郝躍,等.(11-02)r面藍寶石生成長(112-0)a面氮化鎵研究[J].西安電子科技大學學報,2009,36 (6):1049-1052. XU Shengrui,DUAN Huantao,HAO Yue,et al.Study of(112-0)Non Polar a-plane Ga N on the(11-02)r-plane Sapphire[J].Journal of Xidian University,2009,36(6):1049-1052.

(編輯:李恩科)

Effect of growth parameters on GaN in a vertical MOCVD reactor

FENG Lansheng1,GUO Runqiu1,ZHANG Jincheng2
(1.School of Mechano-electronic Engineering,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China; 2.School of Microelectronics,Xidian Univ.,Xi’an 710071,China)

A simulation of reactants in the transfer and reaction process during the GaN growth in a vertical MOCVD reactor is presented.The results show that the Ga N growth rate and thickness uniformity are all affected by the chamber pressure and the velocity of reactants into the chamber.With the increasing velocity of reactants into the chamber,pre-reaction will be enhanced,Ga N growth rate will be increased and thickness uniformity decreased.With the inlet velocity remaining the same and chamber pressure decreasing,the growth rate is improved within a certain scope,but the thickness uniformity may be increased at the same time with the thickness of the central region of the substrate increased.

GaN;MOCVD;GaN growth rate;reaction kinetics

TN204

A

1001-2400(2016)05-0178-05

10.3969/j.issn.1001-2400.2016.05.031

2016-01-22

國家自然科學基金資助項目(61334002);國家重大科技專項資助項目(2011ZX01002-001)

馮蘭勝(1978-),講師,西安電子科技大學博士研究生,E-mail:fenglansheng001@163.com.