一种新型薄膜制备设备的研制

摘要 氮化镓（GaN）等第三代半导体材料有着广阔的应用前景。鉴于气相淀积生长法易于控制薄膜的厚度、组分和掺杂，从事这些新型半导体材料研究的单位多采用气相淀积生长法系统。GaN的气相淀积生长法主要有MOCVD法和HVPE法。本文提出一种MOCVD与HVPE相结合的薄膜制备设备，通过多物理场耦合有限元模拟分析，探讨两种方法在设备结构上兼容共享的可行性。

关键词 MOCVD；HVPE；氮化镓

中图分类号TK124 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）83-0115-03

0 引言

GaN 材料具有良好的电学特性[1]，如宽带隙(3.39 eV)、高电子迁移率(室温 1 000 cm 2 /V·s)、高击穿电压(3×106 V/cm)等，其优良的特性，诱人的应用前景和巨大的市场潜力，引来各国激烈的研究热潮[2]。

气相淀积生长法易于控制薄膜的厚度、组分和掺杂，是目前制备GaN薄膜的主流方法，其中主要有金属有机物化学气相沉积（MOCVD）法和氢化物气相外延（HVPE）法。

GaN 的MOCVD法工艺是液态的TMGa由载气(H2或N2)携带进腔体与另一路由载气携带的NH3在温度1100℃左右的衬底上反应沉积得到[3]。MOCVD系统的设计思想，通常要考虑系统密封性，流量、温度控制要精确，组分变换要迅速，系统要紧凑等。

HVPE技术具有设备简单、成本低、生长速度快等优点，可以生长均匀、大尺寸GaN厚膜，作为进一步用MOCVD生长器件结构的衬底。HVPE法中Ga源先在800℃左右的温区与HCl反应生成GaCl，GaCl再与NH3混合在1 050℃左右的高温区反应生成GaN[4-5]，因此对应的设备需提供两个温区。

对于以上两种主流的GaN薄膜制备方法，本文提出一种在结构上可兼容两种工艺的新式实验型GaN外延设备。在充分考虑了气体密度、导热系数、比热容、粘性系数等参数与温度的关系， 建立了二维和三维热流耦合有限元模型，对衬底温度、气相温度、流场分布等进行了系统分析。

2 结果讨论和分析

2.1 MOCVD模型的二维有限元分析

本文提出的HVPE结构部分是可以进行拆装的，把这部分结构去掉，调整衬底基座与进气口的相对位置，可以得到适合MOCVD工艺的设备构架。

另外，从反应腔内流线的分布可以看出，在衬底基座上方，气体处于层流状态，这将为外延层的生长提供了非常有利的稳定流场环境。

2.2 HVPE模型的三维有限元分析

考虑模型的对称关系，选取完整模型的四分之一进行计算，在两个对称平面设置对称边界条件，以减少有限元模型的网格数目，提高运算效率。计算得到温度分布云图如图5所示。

3 结论

1）对于衬底基座的上表面，不同区域的功率损耗也不同。为保证表面温度均匀性，可设置不同的加热源，提供相匹配的加热功率；

2）设计可拆装的HVPE结构，在共享MOCVD构架的基础上作出适当的调整，使得一台设备适用于不同的工艺方法，并且在多物理场耦合有限元模型上得到了理论论证；

3）在进行有限元建模时，应注意建模策略，根据模型几何特点，可简化成二维轴对称模型或者四分之一的几何模型。如此，可在保证模型准确性的前提下，减少有限元模型的网格数目，提高运算效率。

参考文献

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[2]李宝珠.宽禁带半导体材料技术[J].电子工业专用设备，2010(187):05-10.

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