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MOCVD生长AlN的化学反应分析

王丹+时亚茹+袁罗

摘 要：本文總结了MOCVD反应器中，由TMAl和NH3为反应源生长AlN时出现的气相反应、表面反应及化学沉积中的寄生反应。
关键词：AlN；气相反应；表面反应；寄生反应
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.08.206
0 引言
金属有机化学气相沉积，简称MOCVD（Metalorganic Chemical Vapor Deposition，MOCVD），是制备功能材料、结构材料、纳米材料的最重要的方法之一[1]-[2]。MOCVD生长Ⅲ族氮化物（如GaN、AlN）过程中伴随着大量的化学反应的发生。寄生反应的发生不仅会消耗珍贵的金属气体，而且影响薄膜生长的质量。
1 MOCVD法生长薄膜的基本步骤
MOCVD反应器由气体入口装置、反应器室、托盘、加热器、废气排出口等部件构成。薄膜生长过程中，气体经入口装置导入反应器室中，流经托盘在衬底上发生沉积反应，然后由排气口排除[3]-[4]。
MOCVD法生长薄膜的基本步骤可归纳为以下：（1）从反应器进口到沉积区域的主气流质量传输；（2）从主气流到生长表面之间的质量传输；（3）形成反应前体的气相反应；（4）生长表面上薄膜前体的表面吸附；（5）薄膜前体进入生长位置的表面扩散；（6）薄膜成分并入到生长膜内；（7）表面反应生成的副产品的解吸附；（8）副产品离开沉积区域，流向反应器出口的质量传输[4]-[5]。
2 AlN（氮化铝化学成分）的化学反应路径
MOCVD生长AlN过程中，通常使用TMAl和NH3作为反应前体，反应包括气相反应、表面反应等。
注：活化能的单位是kcal/mol，指前因子的单位在气相反应中是（cm3/mol）n-1 s-1 ，在表面反应是 （cm2/mol） s-1；σ表示表面反应中碰撞的粘着系数。
由表1，我们可以看到：生长AlN包括10个气相反应和7个表面反应，具体路径如下：
（1）气相反应 。1）热分解反应：如反应G1，由于G2中TMAl和NH3的加成反应迅速，抑制了该反应的进行。2）加合反应：如反应G2，当TMAl和NH3共同存在时，他们之间有很强的预反应，生成Lewis acid-base加合物TMAl：NH3，该反应活化能为0，反应速率很高，为不可逆反应。3）TMAl：NH3失去CH4的反应，如反应G3、G4，生成DMAl-NH2.其中反应速度参数由碰撞理论和量子化学计算法决定。
4）聚合反应：如反应G5-G8，这四步反应的活化能为零，反应形成DMAl- NH2的高聚物。5）气相成核，形成AlN纳米颗粒的，如反应G9、G10，纳米颗粒被热泳力带离沉积表面，这消耗Ⅲ族源，降低了AlN的生长速率。
（2）表面反应。1）吸附反应：反应S1S3，在衬底材料表面，TMAl、TMAl：NH3和MMAl吸附在N表面原子上并释放出CH3-；反应S4-S5为DMAl-NH2和（DMAl-NH2）2吸附在表面变为AlN*并释放出甲烷。吸附反应的表面反应速率Rjs，等于动力学理论估计的气相品种与表面碰撞的速率乘以相应的反应粘附系数：
Rjs=RiPi/（2πMiRgT）0.5
Ri为与温度和覆盖率有关的i品种的反应粘附系数；Pi为i品种的分压；Mi为i品种的相对分子质量；Rg为摩尔气体常数[4]-[5]。
2）并入反应：反应S6为吸附在表面的Al*与N反应并入晶格，该模型认为在表面存在过量的活性N；反应S7为吸附在表面的AlN*直接并入晶格。
（3）寄生反应。在MOCVD高温气相化学反应中，这些反应最终会导致纳米颗粒的形成并且消耗很大一部分III族前体，降低薄膜的生长速率。其中，AlN的粒子成核化学是通过一个协定路径进行的，主要发生在气相反应中，反应路径如下[2]：
G1 ： AlMe3+NH3 --- AlMe3NH3
G2； AlMe3NH3 --- AlMe2NH2+CH4
G3： 2AlMe2NH2 --- Particle+Nucleus+other products
G4： 2AlMe2NH2 --- other products
G5： AlMe2NH2+Nucleus （+M） --- Particle+Nucleus+（+M）+other products
寄生反应对于薄膜生长是十分有害的，在MOCVD反应器设计与确定操作参数时应给予充分的考虑，尽量将寄生反应抑制到最低限度。现在市场上广泛采用的反应器大都采用分隔进口，目的就是防止反应前体之间的预先反应。
3 小结
MOCVD生长半导体薄膜的技术已日渐成熟，但仍然存在着诸多问题亟待解决。MOCVD生长薄膜的化学反应路径很复杂，包括气相反应、表面反应等，很多人的观点都不一致，这需要我们从不同的角度如量子化学，分子动力学等微观角度入手，寻求新方法来验证和研究[1]。
参考文献：
[1]王国斌.水平切向喷射式MOCVD反应器输运过程的数值模拟研究[D].江苏：江苏大学，2009.
[2]Mihopoulos T G，Gupta V，Jensen K F.A reaction-transport model for AlGaN MOVPE growth.J Crystal Growth，1988，195：733-739
[3]陆大成.段树坤.金属有机化合物气相外延基础及应用[M].北京：科学出版社，2009.
[4]Fundamental chemistry and modeling of group-III nitride MOVPE，J Crystal Growth，2008（298）：2-7.
[5]Coltrin M E ，Creighton J R. Mitchell C C.Modeling the parasitic chemical reactions of AlGaN organometallic vapor-phase epitaxy，J Crystal Growth，2006（287）：566-571.
山东工业技术2017年8期
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