高温MOCVD生长AlN的化学反应机理研究

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AlN是一种性能优异的III-V族氮化物材料,在大功率器件、紫外与深紫外光电子器件等领域应用广泛。金属有机化学气相淀积(MOCVD)是制备AlN材料的关键工艺技术,其中MOCVD的气相反应决定了薄膜的生长速率和均匀性,表面反应决定了薄膜的表面形貌和生长质量。然而由于气相反应中寄生预反应严重以及在生长表面上的Al吸附原子迁移率低,采用MOCVD生长高质量AlN薄膜仍面临严峻的挑战。通过提高生长温度,可以增强Al原子的表面横向迁移率,从而改善AlN晶体质量和表面样貌。因此选择在高温下使用MOCVD技术生长AlN。随着计算机计算能力的提升,可以通过计算化学来模拟复杂的化学反应机理,从而深入研究AlN具体的生长机理,在后续的实际工艺中确定适宜的生长参数,生长出高质量、高性能的AlN薄膜。本文的研究内容主要有以下几个方面:(1)采用量子化学计算软件Gaussian,对MOCVD生长AlN的加合路径、热解路径、氨基物聚合分解的寄生路径进行热力学计算,分析了温度因素对上述路径的影响。结果表明:NH3不过量时,温度T<268 oC时,TMAl与NH3自发生成加合物TMA1:NH3,随后通过消去反应生成氨基物,高温下DMAlNH2不可能再结合NH3分子。当T>300 oC时,TMAl:NH3将重新分解。NH3过量时,生成的加合物TMA1:NH3会继续结合一个NH3分子,形成配位键加合物比氢键加合物的概率更大。TMAl和MMAl的热解反应需要高温激活,当T>1000 oC时,DMAl生成MMAl的热解反应将自发进行。寄生反应中的(MMAlNH)2和(MMAlNH)3是最可能的末端气相反应前体。(2)采用密度泛函理论计算分子结构和能量,结合过渡态理论估算气相反应的反应速率和活化能,以及选择7个表面反应作为表面反应模型,这里的表面反应机理不考虑NH3和三聚物在表面的吸附和反应,表面产物只有吸附在表面的Al(s)和AlN(s),从而确定了一个相对完善的高温下AlN-MOCVD的化学反应动力学模型。(3)基于AlN生长特性和反应机理的研究分析结果,提出并建立了使用高温MOCVD方法生长AlN薄膜的Grove生长速率模型。该模型考虑了生长源在边界层内发生的气相化学反应。基于Grove模型,进行了不同温度和不同压强下的生长速率模型验证;对比结果为:在压强恒定为85torr时,在400-900 oC下的生长速率模型均能与实验值较好吻合,平均误差为4.34%;在衬底温度为600 oC时,30-270 torr下的生长速率模型与实验值趋势一致,平均误差为8.66%。
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