羅磊，曹盛，湯繪華

（1.南昌黃綠照明有限公司，江西 南昌 330047；

2.南昌大學(xué)，江西 南昌 330047）

噴淋式GaN-MOCVD反應(yīng)室的數(shù)值模擬及研究

Numerical simulation and research of spraying GaN-MOCVD reaction chamber

羅磊1,2，曹盛1,2，湯繪華1

（1.南昌黃綠照明有限公司，江西 南昌 330047；

2.南昌大學(xué)，江西 南昌 330047）

本文以低壓、旋轉(zhuǎn)、垂直噴淋式的GaN-MOCVD反應(yīng)室為研究對(duì)象，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對(duì)反應(yīng)室內(nèi)部的輸運(yùn)過(guò)程進(jìn)行了比較詳細(xì)數(shù)值模擬及研究。數(shù)值模擬研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在一定外延材料工藝生長(zhǎng)參數(shù)范圍內(nèi)，加大進(jìn)氣流量（Q）可以有效抑制熱浮力效應(yīng)，從而使反應(yīng)器內(nèi)部的流場(chǎng)均勻分布。數(shù)值模擬結(jié)果不僅對(duì)GaN-MOCVD反應(yīng)室機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)作用，同時(shí)也對(duì)高品質(zhì)的外延材料生長(zhǎng)工藝參數(shù)優(yōu)化和調(diào)試具有重要的參考價(jià)值。

GaN-MOCVD反應(yīng)室；數(shù)值模擬；CFD；熱浮力效應(yīng)

GaN 材料在LED照明、高溫大功率微電子器件、信息顯示存儲(chǔ)和讀取等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，因此，GaN 的制備已經(jīng)引起越來(lái)越多研究人員的關(guān)注［1-5］。 而目前公認(rèn)的最佳 GaN 薄膜生長(zhǎng)工藝方法是：金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積（MOCVD），其原理是將氣態(tài)的金屬有機(jī)物（TMGa或TEGa等MO源）稀釋于輸運(yùn)氣流中，與反應(yīng)氣體NH3同時(shí)注入反應(yīng)室內(nèi)被加熱的高溫載片表面，在高溫下反應(yīng)物氣體分解、反應(yīng)、沉積等一系列氣相與表面化學(xué)反應(yīng)并生成GaN 晶體薄膜。由于反應(yīng)氣體間存在著熱量和質(zhì)量的傳輸，使得GaN-MOCVD 反應(yīng)室內(nèi)的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)十分復(fù)雜；目前國(guó)內(nèi)科研院所對(duì)GaN-MOCVD反應(yīng)室數(shù)值模擬也做了很多有益的工作，并取得了不少的有意義的成果［6-11］。

本文將基于某生產(chǎn)型立式噴淋式GaN-MOCVD反應(yīng)室的物理機(jī)理提出模型和氣體動(dòng)力學(xué)原理，利用商業(yè)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件對(duì)該GaN-MOCVD反應(yīng)室內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行二維數(shù)值模擬及研究。通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)氣流量（Q）得到反應(yīng)室流場(chǎng)結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果；由此來(lái)研究該工藝參數(shù)對(duì)GaN晶體薄膜生長(zhǎng)質(zhì)量的影響，以提高流場(chǎng)結(jié)構(gòu)品質(zhì)，優(yōu)化GaN 晶體薄膜生長(zhǎng)質(zhì)量。

1 GaN-MOCVD反應(yīng)室物理結(jié)構(gòu)及數(shù)值模擬簡(jiǎn)化模型

本文研究的GaN-MOCVD反應(yīng)室采用垂直流設(shè)計(jì)，GaN-MOCVD反應(yīng)室物理結(jié)構(gòu)和數(shù)值模擬簡(jiǎn)化模型如圖1、圖2所示。因?yàn)樵揋aN-MOCVD反應(yīng)室具有自然的對(duì)稱軸，因此數(shù)值模擬簡(jiǎn)化模型可采用二維軸對(duì)稱數(shù)學(xué)模型，模擬結(jié)果只表征中心軸一側(cè)的情況，從而減少計(jì)算機(jī)的計(jì)算工作量。

圖1 GaN—MOCVD反應(yīng)室物理結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 簡(jiǎn)化的數(shù)值模擬模型

2 數(shù)值模擬控制方程

結(jié)合方程求解和反應(yīng)室內(nèi)的實(shí)際流動(dòng)情況，對(duì)數(shù)值模擬模型做如下假設(shè)和簡(jiǎn)化：

（1）反應(yīng)室內(nèi)氣流速度很低，可假設(shè)流動(dòng)為層流狀態(tài)；

（2）反應(yīng)室內(nèi)的流動(dòng)是有粘、定常的；

（3） 反應(yīng)室內(nèi)氣體滿足連續(xù)流體假設(shè)和理想氣體狀態(tài)方程；

（4）由于反應(yīng)物MO源占載體氣流的比例不足1%，故可以忽略化學(xué)反應(yīng)造成的MO源組分的變化對(duì)流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響。

GaN-MOCVD反應(yīng)室內(nèi)流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型為一組耦合的三維偏微分方程［12］：

連續(xù)性方程：

動(dòng)量方程：

組分方程：

能量方程：

狀態(tài)方程：

其中：ρ為密度；ui為速度矢分量；gi為重力加速度；p為壓力；μ為分子粘性；T為溫度；Pi為環(huán)境壓力，Pi=1.0135×105Pa；Ms為s組分的摩爾質(zhì)量；Ys為s組份的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；R為通用氣體常數(shù)；q和w分別是化學(xué)反應(yīng)的熱量源項(xiàng)和質(zhì)量源項(xiàng)；施密特?cái)?shù)Sc和普朗特?cái)?shù)Pr在計(jì)算中取值為Sc=Pr=0.7。

3 數(shù)值模擬過(guò)程與結(jié)果分析

3.1 進(jìn)氣流量（Q）對(duì)流場(chǎng)的影響

選定與實(shí)際相同的參數(shù)作為基準(zhǔn)條件：反應(yīng)室直徑為250 mm，噴淋頭底部與襯底的距離為11 mm，石墨基座表面溫度為1 000 ℃，石墨基座旋轉(zhuǎn)速度為50 rpm，重力加速度為g=9.8 m2/s，數(shù)值模擬中主要反應(yīng)氣體為TMGa和NH3，載氣為H2和N2的混合氣體，其中TMGa流量固定為50 mL/min，氣體體積組分NH3∶H2∶N2=40%∶30%∶30%，進(jìn)氣溫度60 ℃。反應(yīng)室壓力設(shè)定為100 torr，進(jìn)氣流量選取一組數(shù)據(jù)為：10、20、40 L/min。

從圖3（a）、（b）、（c）可以看出進(jìn)氣流量對(duì)反應(yīng)室內(nèi)部流場(chǎng)有重要影響。由圖3（a）可以看出在進(jìn)氣流量較小的情況時(shí)，在石墨基座上方流場(chǎng)出現(xiàn)了渦流，這是由于反應(yīng)室側(cè)壁與石墨基座熱浮力對(duì)流產(chǎn)生的。從圖3（b）可以看出隨著進(jìn)氣流量的加大，熱浮力對(duì)流受到了抑制，石墨上方的流場(chǎng)已趨于穩(wěn)定，從圖3（c）可以看出當(dāng)進(jìn)氣流量加大到一定值，熱浮力對(duì)流很小，石墨基座上方流場(chǎng)也趨于穩(wěn)定，但是相對(duì)于進(jìn)氣流量為20 L/min來(lái)說(shuō)進(jìn)一步加大進(jìn)氣流量也會(huì)使徑向速度增大，徑向速度增大將使氣流通過(guò)襯底表面的時(shí)間縮短從而導(dǎo)致MO源材料消耗量增加。可知進(jìn)氣流量加大有利于GaN-MOCVD反應(yīng)室流場(chǎng)穩(wěn)定，但也不是越大越好，流量值應(yīng)當(dāng)適宜。

同時(shí)加大反應(yīng)室進(jìn)氣流量對(duì)襯底表面材料薄膜厚度均勻性也有重要影響；加大反應(yīng)室進(jìn)氣流量這樣使得傳質(zhì)系數(shù)也增大，有利于MO源材料分子在反應(yīng)室內(nèi)迅速擴(kuò)散，這樣就改善了MO源材料分子在常壓下組分分布不均勻的缺點(diǎn)，所以降低反應(yīng)室壓力有利于得到大面積均勻厚度的襯底表面材料薄膜。

4 結(jié)論

本文基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)對(duì)某生產(chǎn)型GaN-MOCVD反應(yīng)室的二維空間流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬。數(shù)值模擬結(jié)果有效的再現(xiàn)了具有復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)和部件運(yùn)動(dòng)方式的GaN-MOCVD反應(yīng)室二維空間流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。數(shù)值模擬結(jié)果不僅對(duì)GaN-MOCVD反應(yīng)室機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)作用，同時(shí)也對(duì)高品質(zhì)的外延材料生長(zhǎng)工藝參數(shù)優(yōu)化和調(diào)試具有重要的參考價(jià)值；數(shù)值模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

圖3 不同進(jìn)氣流量下GaN—MOCVD 反應(yīng)室的流場(chǎng)

（1）適度加大反應(yīng)室進(jìn)氣流量，有利于抑制GaN-MOCVD反應(yīng)室側(cè)壁與石墨基座熱浮力對(duì)流，從而減少石墨基座上方的渦流，增加GaN-MOCVD反應(yīng)室流場(chǎng)的平穩(wěn)性。

（2）適度加大反應(yīng)室進(jìn)氣流量，這樣就使得傳質(zhì)系數(shù)也增大，有利于MO源材料分子在反應(yīng)室內(nèi)迅速擴(kuò)散，有利于得到大面積均勻厚度的襯底表面材料薄膜。

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TN304

1009-797X （2015） 16-0007-03

A

10.13520/j.cnki.rpte.2015.16.003

羅磊（1984-），男，碩士，主要從事真空設(shè)備設(shè)計(jì)與數(shù)值模擬研究。

2015-07-13