植成楊，甘志銀，潘建秋

華中科技大學(xué)微系統(tǒng)研究中心，湖北武漢 430074

0 引言

GaN 材料具有良好的電學(xué)特性[1]，如寬帶隙(3.39 eV)、高電子遷移率(室溫 1 000 cm 2 /V·s)、高擊穿電壓(3×106 V/cm)等，其優(yōu)良的特性，誘人的應(yīng)用前景和巨大的市場潛力，引來各國激烈的研究熱潮[2]。

氣相淀積生長法易于控制薄膜的厚度、組分和摻雜，是目前制備GaN 薄膜的主流方法，其中主要有金屬有機物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）法和氫化物氣相外延（HVPE）法。

GaN 的MOCVD 法工藝是液態(tài)的TMGa 由載氣(H2 或N2)攜帶進腔體與另一路由載氣攜帶的NH3 在溫度1100℃左右的襯底上反應(yīng)沉積得到[3]。MOCVD 系統(tǒng)的設(shè)計思想，通常要考慮系統(tǒng)密封性，流量、溫度控制要精確，組分變換要迅速，系統(tǒng)要緊湊等。

HVPE 技術(shù)具有設(shè)備簡單、成本低、生長速度快等優(yōu)點，可以生長均勻、大尺寸GaN 厚膜，作為進一步用MOCVD 生長器件結(jié)構(gòu)的襯底。HVPE 法中Ga 源先在800℃左右的溫區(qū)與HCl 反應(yīng)生成GaCl，GaCl 再與NH3 混合在1 050℃左右的高溫區(qū)反應(yīng)生成GaN[4-5]，因此對應(yīng)的設(shè)備需提供兩個溫區(qū)。

對于以上兩種主流的GaN 薄膜制備方法，本文提出一種在結(jié)構(gòu)上可兼容兩種工藝的新式實驗型GaN 外延設(shè)備。在充分考慮了氣體密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、粘性系數(shù)等參數(shù)與溫度的關(guān)系， 建立了二維和三維熱流耦合有限元模型，對襯底溫度、氣相溫度、流場分布等進行了系統(tǒng)分析。

1 模型描述

氣相淀積生長設(shè)備構(gòu)架存在共性，其都包含反應(yīng)腔體、加熱系統(tǒng)、氣體輸運系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。需用理論和數(shù)據(jù)指導(dǎo)新設(shè)備腔體的設(shè)計，并合理搭建相匹配的加熱系統(tǒng)、氣體輸運系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。本文提出的新型設(shè)備如圖1 所示。加熱系統(tǒng)位于襯底基座下方，采用電阻片輻射加熱方式，側(cè)壁和底座為水冷結(jié)構(gòu)。襯底上方布置可拆裝的陣列型鎵源支撐，并在襯底基座和鎵源支撐之間設(shè)置可拆裝的輔助加熱系統(tǒng)，以調(diào)節(jié)襯底基座及鎵源支撐的溫度。加熱片下方布置多道熱屏蔽板，提高加熱效率。進氣方式采用多氣孔進口方式，可以使反應(yīng)腔內(nèi)氣流均勻性得到保證。襯底基座采用石墨制造。

圖1 MOCVD 與HVPE 相兼容的腔體結(jié)構(gòu)示意圖

在 comsol multiphysics 中構(gòu)建三維溫度場有限元模型。該模型中設(shè)定反應(yīng)腔體側(cè)壁與下底盤為水冷恒溫體。能量交換方式考慮加熱系統(tǒng)與襯底基座的輻射換熱， 襯底基座內(nèi)部的熱傳導(dǎo)，輔助加熱系統(tǒng)與襯底基座及鎵源支撐的輻射換熱，鎵源支撐與襯底基座的輻射換熱，氣體和襯底基座的對流換熱，加熱片與熱屏蔽板的輻射換熱，冷卻水與腔體內(nèi)壁及底座的對流換熱。各材料的熱物性參數(shù)取值于文獻[6]。

本文充分考慮了氣體密度、導(dǎo)熱系數(shù)、比熱容、粘性系數(shù)等參數(shù)與溫度的關(guān)系， 計算模型中采用的氫氣熱物性參數(shù)與溫度有如下關(guān)系(P=2.5kPa)：

根據(jù)流體力學(xué)傳熱學(xué)理論， 反應(yīng)氣體的狀態(tài)由以下方程描述：

Qs：熱源項；

Qr：輻射換熱項；其中面1 和面2 之間的輻射換熱可表示為下面的式子：

Xi,j：表示面i 到面j 的角系數(shù)；

ε ：表面發(fā)射率；

Eb：黑體輻射力。

式 ( 5）為 連 續(xù) 性 方 程， （6）、（7）、（8）為 動 量 守 恒Navier-Stokes 方程， ( 9）為能量方程。式中 u、v、w 分別為氣體x、y、z 三分方向上的速度分量，C p 、 μT、T、λ、ρ 分別為氣體的比熱、粘度、溫度、導(dǎo)熱系數(shù)、密度。所有固體壁面均設(shè)置無滑移邊界條件即 u = v =w=0，氣體入口設(shè)置速度條件，出口邊界采用壓力邊界條件，電阻片施加功率邊界條件，反應(yīng)室水冷壁面溫度為Tw = 340 K。構(gòu)建的熱流耦合的有限元模型如圖2 所示。在該模型中， 氣體狀態(tài)為連續(xù)不可壓縮的層流氣體[7]。

圖2 三維熱流耦合有限元模型

2 結(jié)果討論和分析

2.1 MOCVD 模型的二維有限元分析

本文提出的HVPE 結(jié)構(gòu)部分是可以進行拆裝的，把這部分結(jié)構(gòu)去掉，調(diào)整襯底基座與進氣口的相對位置，可以得到適合MOCVD 工藝的設(shè)備構(gòu)架。

鑒于結(jié)構(gòu)的對稱性，本文中的MOCVD 構(gòu)架的有限元模擬分析可采用二維軸對稱模型，在保證模擬準確性的同時，減少網(wǎng)格數(shù)目，提高計算速率。其二維軸對稱模型如圖3 所示。圖中是有限元計算完的后處理溫度分布及流場分布圖。

圖3 二維軸對稱有限元模型溫度及流場分布圖

通過調(diào)整加熱電阻片的布置格局，及功率分配，可以使得襯底基座溫度在有效的半徑內(nèi)達到非常好的均勻性。對于襯底基座外圍區(qū)域，低溫區(qū)域?qū)慕窍禂?shù)占較大的比例，所以襯底基座外圍區(qū)域功率損耗較大。為保證襯底基座表面的溫度均勻性，在外圍區(qū)域設(shè)置獨立的加熱源，提供更大的加熱功率。

圖4 襯底基座徑向溫度分布圖

提取基座表面徑向的溫度分布，如圖4 所示，可以看出，在基座半徑50mm 范圍內(nèi)，溫差在±1℃以內(nèi)。在此半徑范圍內(nèi)，可以放置3 片2 英寸的襯底。

另外，從反應(yīng)腔內(nèi)流線的分布可以看出，在襯底基座上方，氣體處于層流狀態(tài)，這將為外延層的生長提供了非常有利的穩(wěn)定流場環(huán)境。

2.2 HVPE 模型的三維有限元分析

在上述二維軸對稱模型確定的加熱片格局后，確定了加熱系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)。HVPE 法中Ga 源先在850℃左右的溫區(qū)與HCl反應(yīng)生成GaCl，GaCl 再與NH3 混合在1 050℃左右的高溫區(qū)反應(yīng)生成GaN。在原有MOCVD 結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，在襯底上方增加可拆裝的鎵源支撐，可組裝成適合HVPE 工藝的設(shè)備構(gòu)架。在鎵源支撐于襯底之間可布置輔助加熱陣列，便于調(diào)整鎵源支撐所需的合適溫度和合理的安放高度。

考慮模型的對稱關(guān)系，選取完整模型的四分之一進行計算，在兩個對稱平面設(shè)置對稱邊界條件，以減少有限元模型的網(wǎng)格數(shù)目，提高運算效率。計算得到溫度分布云圖如圖5 所示。

圖5 三維有限元模型溫度及流場分布圖

通過合理布置鎵源支撐的位置，以及調(diào)節(jié)加熱功率，可使得其溫度在800℃～850℃之間。提取鎵源支撐所在高度截面可得到溫度分布曲線，如圖6 所示。

圖6 鎵源支撐溫度分布

圖中波峰近似于直線，是鎵源支撐體的溫度，其中間下凹部分是腔體中的氣體流動區(qū)域。

3 結(jié)論

1）對于襯底基座的上表面，不同區(qū)域的功率損耗也不同。為保證表面溫度均勻性，可設(shè)置不同的加熱源，提供相匹配的加熱功率；

2）設(shè)計可拆裝的HVPE 結(jié)構(gòu)，在共享MOCVD 構(gòu)架的基礎(chǔ)上作出適當?shù)恼{(diào)整，使得一臺設(shè)備適用于不同的工藝方法，并且在多物理場耦合有限元模型上得到了理論論證；

3）在進行有限元建模時，應(yīng)注意建模策略，根據(jù)模型幾何特點，可簡化成二維軸對稱模型或者四分之一的幾何模型。如此，可在保證模型準確性的前提下，減少有限元模型的網(wǎng)格數(shù)目，提高運算效率。

[1]鄧志杰，鄭安生.半導(dǎo)體材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[2]李寶珠.寬禁帶半導(dǎo)體材料技術(shù)[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2010(187):05-10.

[3]孫玉芹.用于固態(tài)照明的非極性a面GaN薄膜的MOCVD生長及表征[D].華中科技大學(xué)，2011.

[4]Akinori K，Miho M，et al.Journal of Crystal Growth，246(3-4)，(2002)：230-236.

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[6]趙鎮(zhèn)南.傳熱學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2002：492-509.

[7]李建國，劉實，李依依，等.熱絲化學(xué)氣相沉積金剛石薄膜空間場的數(shù)值分析[J].金屬學(xué)報，2005，41(4)：437-443.