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物理学报 2011年第6期60卷 440-446页

作者：戴显英金国强董洁琼王船宝赵娴楚亚萍奚鹏程邓文洪张鹤鸣郝跃西安电子科技大学微电子学院宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室西安710071

基于化学气相淀积(CVD)的grove理论和Fick第一定律,提出并建立了锗硅(SiGe)/硅(Si)异质结材料减压化学气相淀积(RPCVD)生长动力学模型.与以前锗硅/硅异质结材料生长动力学模型仅考虑表面反应控制不同,本模型同时考虑了表面反应和气相传... 详细信息

基于化学气相淀积(CVD)的grove理论和Fick第一定律,提出并建立了锗硅(SiGe)/硅(Si)异质结材料减压化学气相淀积(RPCVD)生长动力学模型.与以前锗硅/硅异质结材料生长动力学模型仅考虑表面反应控制不同,本模型同时考虑了表面反应和气相传输两种控制机理,并给出了两种控制机理极限情况下的模型.本模型不仅适用于低温锗硅/硅应变异质结材料生长的表征,也适用于表征高温锗硅/硅弛豫异质结材料生长的表征.将模型计算值与实验结果进行了对比,无论是625℃低温下的应变SiGe的生长,还是900℃高温下的弛豫SiGe的生长,其模型误差均小于10%.

关键词： SiGe/Si异质结材料化学气相淀积生长动力学模型 grove理论 Fick第一定律

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高温MOCVD生长AlN的化学反应机理研究

高温MOCVD生长AlN的化学反应机理研究

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作者：张茜西安电子科技大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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:NH不过量时,温度T300 C时,TMAl:NH将重新分解。NH过量时,生成的加合物TMA1:NH会继续结合一个NH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 C时,DMAl生成MMAl的热解反应将自发进行。寄生反应中的(MMAlNH)和(MMAlNH)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NH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 C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 C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%。

关键词：金属有机化学气相淀积高温生长 AlN 化学反应机理密度泛函理论过渡态理论 grove理论

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硅基应变与弛豫材料的CVD生长动力学模型研究

硅基应变与弛豫材料的CVD生长动力学模型研究

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作者：金国强西安电子科技大学

学位级别：硕士

SiGe/Si异质材料的应用越来越广泛,质量良好的SiGe薄膜成为其应用的基础。目前生长SiGe薄膜的方法有多种,其中CVD法的使用较为常见。SiGe薄膜的生长过程非常复杂,与多个因素相关,如温度、压强、气源、流量等,很多研究者都对其生长过程... 详细信息

SiGe/Si异质材料的应用越来越广泛,质量良好的SiGe薄膜成为其应用的基础。目前生长SiGe薄膜的方法有多种,其中CVD法的使用较为常见。SiGe薄膜的生长过程非常复杂,与多个因素相关,如温度、压强、气源、流量等,很多研究者都对其生长过程及生长动力学进行了研究,取得了不少成果。本文主要介绍了硅基应变、弛豫材料的生长机理、生长方法、生长动力学研究方面的研究。采用了RPCVD生长技术,所采用的气源为SiH、SiHCl、GeH和H。生长温度分别为625℃、900℃,通过流量及温度的改变来得到不同的淀积速率。根据grove理论以及菲克第一理论,本文首次提出并建立了适用于硅基应变及弛豫薄膜材料的CVD生长动力学模型。与以前锗硅/硅异质结材料生长动力学模型仅考虑表面反应控制不同,本文同时考虑了表面反应和气相传输两种控制机制,给出了两种控制机制极限情况下的模型,该模型不仅适用于低温锗硅/硅应变异质结材料生长的表征,也适用于表征高温锗硅/硅弛豫异质结材料生长的表征。最后,将模型计算值与实验值进行了对比,不论是低温(625℃)还是在高温(900℃)下,都与实验值符合得较好。该模型结构简洁、物理意义清晰,适于不同气源体系的高温和低温下的应变与弛豫SiGe材料RPCVD生长动力学的描述。

关键词：硅基应变与弛豫材料生长动力学生长速率模型 grove理论

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氮化铝薄膜生长动力学模型与模拟研究

氮化铝薄膜生长动力学模型与模拟研究

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作者：李津南西安电子科技大学

学位级别：硕士

AlN材料以其高禁带宽度、击穿电场强、热导率高和高紫外透过率等优越的物理、光学和电学性质,在大功率器件、耐高压器件、高温器件和紫外光电器件等领域得到了非常广泛的应用。虽然MOCVD方法是生长高质量AlN薄膜的主流技术,但其生长动... 详细信息

AlN材料以其高禁带宽度、击穿电场强、热导率高和高紫外透过率等优越的物理、光学和电学性质,在大功率器件、耐高压器件、高温器件和紫外光电器件等领域得到了非常广泛的应用。虽然MOCVD方法是生长高质量AlN薄膜的主流技术,但其生长动力学机理与生长模型等理论研究远落后生长实验研究。基于grove理论和KMC方法,本文进行了MOCVD生长AlN薄膜的动力学模型建立与模拟研究,并将模型模拟结果与实验数值进行了对比,模型对于实际工艺生长具有指导意义。基于MOCVD技术生长AlN薄膜的生长工艺、生长特性和生长动力学实验,本论文对反应前躯体TMAl和NH3的化学反应机理和气相输运过程进行了系统地分析研究,深入理解了各条反应路径对于最终薄膜生长的影响。基于AlN生长特性和反应机理的研究分析结果,本论文采用grove理论,研究建立了MOCVD生长AlN薄膜的生长速率模型,根据AlN的生长特性,计算并确定了气相输运系数hg、表面反应速率常数ks、单位薄膜生长所需分子数等模型参数;基于该模型,进行了不同温度(523K-1223K)下和不同压强(0Pa-2240Pa)下AlN生长速率模型的实验验证;对比结果表明,该模型计算结果与实验结果十分吻合:不同温度下生长速率模型的平均误差为8.63%,不同压强下生长速率模型的平均误差为8.03%。采用动力学蒙特卡洛(KMC)算法,本论文对MOCVD工艺生长AlN薄膜的生长动力学及表面形貌进行了模拟研究。根据AlN的结构和生长特性,研究建立了AlN薄膜的表面生长动力学模型。根据AlN粒子之间相互作用的势垒能数据,计算了AlN粒子的吸附沉积速率和表面迁移速率等模型参数;基于KMC原理,以AlN四面体结构分子为模型的最基本单元;采用MATLAB语言,对原子级动力学过程进行了程序化实现;进行了AlN粒子从成核到薄膜的KMC生长模拟,给出了不同生长速率和不同生长时间下的表面形貌图。

关键词：氮化铝金属有机物化学气相淀积生长动力学模型及模拟 grove理论动力学蒙特卡洛方法

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