喷淋式GaN-MOCVD反应室的数值模拟及研究

罗磊，曹盛，汤绘华

（1.南昌黄绿照明有限公司，江西 南昌 330047；

2.南昌大学，江西 南昌 330047）

喷淋式GaN-MOCVD反应室的数值模拟及研究

Numerical simulation and research of spraying GaN-MOCVD reaction chamber

罗磊1,2，曹盛1,2，汤绘华1

（1.南昌黄绿照明有限公司，江西 南昌 330047；

2.南昌大学，江西 南昌 330047）

本文以低压、旋转、垂直喷淋式的GaN-MOCVD反应室为研究对象，运用计算流体力学（CFD）方法对反应室内部的输运过程进行了比较详细数值模拟及研究。数值模拟研究结果发现：在一定外延材料工艺生长参数范围内，加大进气流量（Q）可以有效抑制热浮力效应，从而使反应器内部的流场均匀分布。数值模拟结果不仅对GaN-MOCVD反应室机械结构设计有重要的指导作用，同时也对高品质的外延材料生长工艺参数优化和调试具有重要的参考价值。

GaN-MOCVD反应室；数值模拟；CFD；热浮力效应

GaN 材料在LED照明、高温大功率微电子器件、信息显示存储和读取等领域有着广阔的应用前景，因此，GaN 的制备已经引起越来越多研究人员的关注［1-5］。 而目前公认的最佳 GaN 薄膜生长工艺方法是：金属有机化合物化学气相沉积（MOCVD），其原理是将气态的金属有机物（TMGa或TEGa等MO源）稀释于输运气流中，与反应气体NH3同时注入反应室内被加热的高温载片表面，在高温下反应物气体分解、反应、沉积等一系列气相与表面化学反应并生成GaN 晶体薄膜。由于反应气体间存在着热量和质量的传输，使得GaN-MOCVD 反应室内的流场和温度场十分复杂；目前国内科研院所对GaN-MOCVD反应室数值模拟也做了很多有益的工作，并取得了不少的有意义的成果［6-11］。

本文将基于某生产型立式喷淋式GaN-MOCVD反应室的物理机理提出模型和气体动力学原理，利用商业计算流体力学（CFD）软件对该GaN-MOCVD反应室内流场进行二维数值模拟及研究。通过调节进气流量（Q）得到反应室流场结构数值模拟结果；由此来研究该工艺参数对GaN晶体薄膜生长质量的影响，以提高流场结构品质，优化GaN 晶体薄膜生长质量。

1 GaN-MOCVD反应室物理结构及数值模拟简化模型

本文研究的GaN-MOCVD反应室采用垂直流设计，GaN-MOCVD反应室物理结构和数值模拟简化模型如图1、图2所示。因为该GaN-MOCVD反应室具有自然的对称轴，因此数值模拟简化模型可采用二维轴对称数学模型，模拟结果只表征中心轴一侧的情况，从而减少计算机的计算工作量。

图1 GaN—MOCVD反应室物理结构示意图

图2 简化的数值模拟模型

2 数值模拟控制方程

结合方程求解和反应室内的实际流动情况，对数值模拟模型做如下假设和简化：

（1）反应室内气流速度很低，可假设流动为层流状态；

（2）反应室内的流动是有粘、定常的；

（3） 反应室内气体满足连续流体假设和理想气体状态方程；

（4）由于反应物MO源占载体气流的比例不足1%，故可以忽略化学反应造成的MO源组分的变化对流场和温度场的影响。

GaN-MOCVD反应室内流动的数学模型为一组耦合的三维偏微分方程［12］：

连续性方程：

动量方程：

组分方程：

能量方程：

状态方程：

其中：ρ为密度；ui为速度矢分量；gi为重力加速度；p为压力；μ为分子粘性；T为温度；Pi为环境压力，Pi=1.0135×105Pa；Ms为s组分的摩尔质量；Ys为s组份的质量分数；R为通用气体常数；q和w分别是化学反应的热量源项和质量源项；施密特数Sc和普朗特数Pr在计算中取值为Sc=Pr=0.7。

3 数值模拟过程与结果分析

3.1 进气流量（Q）对流场的影响

选定与实际相同的参数作为基准条件：反应室直径为250 mm，喷淋头底部与衬底的距离为11 mm，石墨基座表面温度为1 000 ℃，石墨基座旋转速度为50 rpm，重力加速度为g=9.8 m2/s，数值模拟中主要反应气体为TMGa和NH3，载气为H2和N2的混合气体，其中TMGa流量固定为50 mL/min，气体体积组分NH3∶H2∶N2=40%∶30%∶30%，进气温度60 ℃。反应室压力设定为100 torr，进气流量选取一组数据为：10、20、40 L/min。

从图3（a）、（b）、（c）可以看出进气流量对反应室内部流场有重要影响。由图3（a）可以看出在进气流量较小的情况时，在石墨基座上方流场出现了涡流，这是由于反应室侧壁与石墨基座热浮力对流产生的。从图3（b）可以看出随着进气流量的加大，热浮力对流受到了抑制，石墨上方的流场已趋于稳定，从图3（c）可以看出当进气流量加大到一定值，热浮力对流很小，石墨基座上方流场也趋于稳定，但是相对于进气流量为20 L/min来说进一步加大进气流量也会使径向速度增大，径向速度增大将使气流通过衬底表面的时间缩短从而导致MO源材料消耗量增加。可知进气流量加大有利于GaN-MOCVD反应室流场稳定，但也不是越大越好，流量值应当适宜。

同时加大反应室进气流量对衬底表面材料薄膜厚度均匀性也有重要影响；加大反应室进气流量这样使得传质系数也增大，有利于MO源材料分子在反应室内迅速扩散，这样就改善了MO源材料分子在常压下组分分布不均匀的缺点，所以降低反应室压力有利于得到大面积均匀厚度的衬底表面材料薄膜。

4 结论

本文基于计算流体力学（CFD）技术对某生产型GaN-MOCVD反应室的二维空间流场进行了数值模拟。数值模拟结果有效的再现了具有复杂机械结构和部件运动方式的GaN-MOCVD反应室二维空间流场结构。数值模拟结果不仅对GaN-MOCVD反应室机械结构设计有重要的指导作用，同时也对高品质的外延材料生长工艺参数优化和调试具有重要的参考价值；数值模拟结果发现：

图3 不同进气流量下GaN—MOCVD 反应室的流场

（1）适度加大反应室进气流量，有利于抑制GaN-MOCVD反应室侧壁与石墨基座热浮力对流，从而减少石墨基座上方的涡流，增加GaN-MOCVD反应室流场的平稳性。

（2）适度加大反应室进气流量，这样就使得传质系数也增大，有利于MO源材料分子在反应室内迅速扩散，有利于得到大面积均匀厚度的衬底表面材料薄膜。

［1］ 杨基南，刘亚红. GaN-MOCVD设备产业化发展战略研究［J］. 新材料产业，2003，6：17～19.

［2］ 章其麟，孙文红，刘燕飞. GaN 材料生长研究［J］. 半导体情报，1997，34（5）： 6～9.

［3］ 陆大成，汪度，王晓晖. GaN 的 MOCVD 生长［J］. 半导体学报，1995，16（11）： 831～834.

［4］ 曹传宝，朱鹤孙. 氮化镓薄膜及其研究进展［J］. 材料研究学报，2000，14（增刊）.

［5］ 赵育明，周科衍. 氮化镓的性质及其金属有机化学蒸汽沉淀法［J］. 现代化工，1996，3：51～52.

［6］ Jin X Z， Cong Z X and Liu M D. Numerical Simulation of Vortex Distribution in Horizontal MOCVD Reactor ［J］. Chinese Journal of Sem iconductors ， 1993，14（1）： 21～27.

［7］ Zhang JW， Gao H K， Zhang JK， et al Numerical Simulation of Return Flow in MOCVD Reactor ［J｝. Chinese Journal of Semiconductors .1994， 15（4）：268～272.

［8］ Zuo R Zhang H， Liu X L， Numerical Study of Transport Phenomena in a Radial Flow MOCVD with Threeseparate Vertical Inlets［J］. Chinese Journal of Sem iconductors ，2005，26（5）： 977～982.

［9］ Liu Y， Chen H X，Fu S.CFD Simulation of Flow Patterns in GaN-MOCVD Reactor［J｝. Chinese Journal of Sem iconductors， 2004， 25（12）；1639～1645.

［10］ Guo W P， Shao J P， Luo Y， et al MOCVD Process S i m u l a t i o n o f G a N ［J］. C h i n e s e J o u r n a l o f Semiconductors ，2005， 26（4）： 735～739.

［11］ Zuo R， Zhong H，Xu Q. Numerical Modeling and Optimization of Transport Process for Radial Flow MOCVD Reactor ［J］.Journal of Synthetic Crysta Is ，2005 ， 34（6）： 1 011～1 017.

［12］ 刘奕，陈海昕，符松. GaN-MOCVD设备反应室流场的CFD 数值仿真［J］. 半导体学报，2004，25（12）：1 639～1 646.

TN304

1009-797X （2015） 16-0007-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.16.003

罗磊（1984-），男，硕士，主要从事真空设备设计与数值模拟研究。

2015-07-13