HVPE反应器的环形分隔进口数对生长均匀性的影响

HVPE反应器的环形分隔进口数对生长均匀性的影响
赖晓慧;左然;师珺草;刘鹏;童玉珍;张国义
【摘要】利用FLUENT软件对3种环形分隔进口(4环、8环、12环)的氢化物气相外延(HVPE)反应器的生长均匀性进行了二维数值模拟研究.分别考虑输运模型和输运-生长模型,模拟过程保持相同的GaCl、NH3及N2气体进口流量.结果显示:在只考虑输运的模型中,反应室流动均匀性随着进口环数的增多而改善.8环进口时,衬底上方温度分布最均匀；4环进口时,衬底上方的GaC1浓度较高,但均匀性最
差,V/Ⅲ比也较低；8环及12环进口可得到均匀的GaCl浓度分布及较高的V/Ⅲ比.在包括输运和GaN生长的模型中,尽管8环进口反应器衬底上方的GaCl浓度低于12环进口反应器,却因其较薄的边界层厚度而导致较高的生长速率,并且生长均匀性较高.因此,8环进口反应室更有利于GaN的HVPE生长.%Two-dimensional numerical simulation was performed by FLUENT for the HVPE reactor with different segmented annular inlets,considering the transport model and transport-growth model,with the flow rates of GaCl,NH3 and N2 kept constant.When only considering the gas transport,the results show that the flow uniformity is improved by increasing the number of annular inlets and the 8 annular inlets reactor can give the most uniform temperature distribution on the substrate.The GaC1 concentration on the substrate of 4 annular inlets is high,but the uniformity is poor,and the V/Ⅲratio is also low.The 8 and 12 annular inlets can give uniform GaCl concentration distribution on the substrate,and high V/Ⅲ ratio.When the GaN growth rate is also considered,the results show that the growth rate for 8 inlets is higher than that of the 12 inlets because of the thinner boundary layer of
the GaCl concentration,although the GaCl concentration for 8 annular inlets is lower than that of the 12 annular inlets on the substrate.Thus,the 8 annular inlets is more advantageous to the GaN HVPE growth.
【期刊名称】《发光学报》
【年(卷),期】2013(034)006
【总页数】6页(P797-802)
【关键词】HVPE;GaN;环形进口;反应器设计;数值模拟
【作者】赖晓慧;左然;师珺草;刘鹏;童玉珍;张国义
【作者单位】江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013;江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013;江苏大学能源与动力工程学院,江苏镇江212013;北京大学物理学院宽禁带半导体研究中心,北京100871;北京大学物理学院宽禁带半导体研究中心,北京100871;北京大学物理学院宽禁带半导体研究中心,北京100871
【正文语种】中文
【中图分类】O47
1 引言
GaN作为第三代半导体材料，广泛应用于蓝光LED、半导体激光器和大功率电子器件HEMT的制备。

目前，生长GaN薄膜的方法主要为金属有机化学气相外延(MOVPE)，一般以蓝宝石(Al2O3)作为外延衬底［1］。

然而，蓝宝石与 GaN之间存在较大的热失配及晶格失配，导致外延薄膜质量下降，限制了这些器件性能的
提高。

因此，在同质衬底上生长GaN薄膜一直是人们关注的热点［2］。

氢化物气相外延(Hydride vapor phase epitaxy，HVPE)技术由于生长速率快、可生长厚度为毫米级的GaN厚膜、反应器设备较简单等特点，被认为是生长GaN同质衬底最有效的方式。

目前，HVPE的商业化应用仍受到许多技术问题的限制，如生长过程中存在较强的寄生反应、沉积均匀性低等［3］。

其中，寄生反应会损耗大量源气体，从而降低GaN的生长速率，并且生成的小晶粒会输运到衬底表面，影响厚膜质量［4］。

为减少寄生反应，源气体GaCl及NH3需通过分隔进口进入反应腔。

然而，若隔离过强，反应气体在衬底处难以均匀混合，将降低沉积的均匀性。

因此，对HVPE 反应器优化设计是解决上述问题的关键。

国内外学者对此做了大量的工作。

Dam 等［5］通过数值模拟，发现稍微改变HVPE反应器的一些几何参数，GaN生长速率及均匀性便受到很大影响，并通过实验验证得到了相同结论。

Safvi等［6］通过数值模拟和实验验证发现，低的NH3浓度对应多晶薄膜的产生，低的Ⅴ/Ⅲ比也对应GaN薄膜质量的下降。

因此，Ⅴ/Ⅲ比在衬底上方的分布也是判断GaN 生长好坏的一个重要因素。

马平等［7］利用数值模拟研究了反应气体在环形进口反应器内的浓度分布，发现GaCl浓度在衬底中心区域较大，周边较小;而NH3浓度则分布均匀。

通过对比发现，模拟结果与实际外延生长速率分布吻合。

赵传阵等［8］利用有限元法对同心环形HVPE反应器的工艺参数进行了优化，发现存在衬底与气体入口的最佳距离，此时沉积的均匀性最好。

模拟结果还表明:GaCl气体出口方向对GaN沉积速率和均匀性影响很大，重力方向与气体出口方向相反时，GaN沉积速率有所下降，但是沉积均匀性却得到了极大改善。

根据前人的研究发现，具有同心环形分隔进口的反应器可有效隔离两种反应气体，减少寄生反应的发生，然而，GaN生长的均匀性较难达到。

国内外学者已做过大量关于环形进口HVPE反应器的模拟工作，然而，关于进口环数变化对GaN生长
的影响研究仍很少。

本文通过数值模拟方法，对3种环形分隔进口(4环、8环、
12环进口)的HVPE反应器进行对比分析，重点讨论衬底上方的GaCl浓度分布及Ⅴ/Ⅲ对GaN的HVPE生长的影响，并由此寻找GaN生长的最佳环形进口方式。

2 模型建立
本文模拟对象为具有同心环形进口的垂直式HVPE反应器，简化的二维模型如图1所示。

3个反应器除进气环直径外，其他尺寸和形状均相同，标示于图1(a)中。

其中4环、8环、12环进口中心直径依次为40，20，12 mm，相邻环形进口间隔
依次为20，10，6 mm。

环形分隔进口由中心向外分别为 GaCl、N2、NH3、
N2、……循环排列。

GaCl及NH3进口均以N2气体为载气。

GaCl及NH3进口
之间通入N2可减少反应前体在进气口的寄生沉积，最外环进口通入N2可降低侧壁沉积［8］。

图1 3种环形进口垂直式HVPE反应器示意图。

(a)4环进口;(b)8环进口;(c)12环
进口。

Fig.1 Schematic diagram of vertical HVPE reactor with different segmented annular inlets.(a)4 annular inlets.(b)8 annular inlets.(c)12 annular inlets.
利用CFD软件FLUENT进行模拟，分别采用输运模型及输运-生长模型。

其中，
输运模型不考虑GaN在衬底上的表面反应，主要分析反应室中的气体流动、传热和反应粒子的质量输运过程;输运-生长模型则增加了GaN在衬底上方的表面反应。

GaN生长速率可由下式得出［9］:
其中Φ、M及ρ分别表示到达衬底表面的GaCl通量(kmol·m－2·s－1)、GaN 分子量(84 kg·mol－1)及密度(6 150 kg·m－3)。

模拟采用不可压缩流体模型，流动为定常流动，并作如下假设:(1)流体为层流流动;(2)气体为理想气体;(3)无滑移边界条件;(4)忽略热辐射和热扩散效应;(5)反应器外
壁被简化为等温条件，衬底基片设为另一等温条件。

3种反应器采用相同的初始边界条件:各进口流速均为0.63 m/s，GaCl、NH3及N2气体流量列于表1中;进气、侧壁及基片温度分别为1 300，1 343，1 323 K;反应室工作压强为101 kPa;气体出口设为自由出流。

表1 气体进口流量Table 1 Flow rate of the inlet gasGaCl流量/(cm3·min－
1)GaCl质量分数NH3流量/(cm3·min－1)NH3质量分数N2总流量/(cm3·min
－1)24.63% 28.81%8 环进口 381 11.07% 9 524 32.79% 86 524 12环进口4环进口11.37% 44.72%
3 结果与讨论
其中Cmax及Cmin分别代表反应物浓度(或Ⅴ/Ⅲ比、生长速率)的最大值及最小值。

3.1 输运模型
图2显示了HVPE反应室中的流线及温度分布。

由流线图可以发现，NH3进气口下方的气体流速最小，而GaCl进气口下方的气体流速最大。

该现象在4环进口反应室中尤其明显，这主要是
对于文中讨论的均匀性问题，本文定义浓度(或Ⅴ/Ⅲ比、生长速率)的不均匀度为:
受重力作用的影响。

由于GaCl、N2、NH33种气体的分子量逐渐减小，三者所受的重力也依次降低。

在重力作用下，GaCl气体最易于下沉到达衬底表面，而NH3气体到达衬底的速度最慢。

当进气口为4环时，GaCl及NH3分别由单个进气口
通入反应室，因此重力作用较明显;而进气口为8环及12环时，GaCl及NH3分
散地由多个进气环通入反应室，因此重力影响减弱，流场随着进气环数的增加而越来越均匀。

同时，由温度分布图发现，受中心GaCl进口气流的影响，4环进口反应室衬底上方中部的温度较低，温度分布较不均匀;8环进口反应室的衬底上方温
度分布最均匀;12环进口的温度分布与8环进口相近。

图2 反应室流线(左半部分)及温度分布(右半部分)。

(a)4环进口;(b)8环进口;(c)12
环进口。

Fig.2 Streamlines pattern(left)and distribution of
temperature(right)in the axially symmetric vertical reactor with 4 annular inlets(a)，8 annular inlets(b)，and 12 annular inlets(c).
4环、8环、12环进口3种情况下的GaCl浓度、NH3浓度及Ⅴ/Ⅲ比沿衬底径向的分布如图3(a)、(b)、(c)所示。

根据图中数据及公式(2)的不均匀度定义，计算得到不同进口方式下，衬底上方GaCl、NH3浓度及Ⅴ/Ⅲ比的不均匀度如表2所示。

图3 衬底上方GaCl浓度(a)、NH3浓度(b)和Ⅴ/Ⅲ比分布(c)。

Fig.3 Radial distribution of the GaCl concentration(a)，NH3concentration(b)，andⅤ/Ⅲ ratio on the substrate(c).
由图3(a)及表2可知，衬底上方的GaCl浓度分布由高到低依次为4环、12环、8环进口，而浓度分布均匀性由高到低依次为8环、12环、4环进口。

如图1所示，4环分隔进口时，GaCl进口处于4环进口的中心，因此，该进口对应的衬底上方
中心环区的GaCl浓度较高，而衬底边缘区域浓度较低，浓度分布不均匀度高达65.82%。

当进口环数增加至8环时，GaCl由中心环及第5环进口通入反应室，GaCl不再集中于衬底中心环区，而较均匀地分布于衬底上方;然而，处于第5环的GaCl进口靠近衬底边缘，导致通过该进口的部分GaCl气体未及到达衬底表面就
直接排出反应腔外，造成衬底上方GaCl浓度降低。

12环进口时，GaCl分配于中心环、第5环及第9环3个进口中，衬底上方的GaCl浓度分布与8环进口相似。

其中处于第9环的GaCl进口比8环进口中的第5环进口截面积小，由该进口浪费的GaCl气体较少，因此其衬底上方GaCl气体浓度略高于8环进口，而均匀性略低。

表2 GaCl、NH3浓度及Ⅴ/Ⅲ比的不均匀度Table 2 Non-uniformity of the
GaCl concentration，NH3 concentration，andⅤ/Ⅲ ratioGaCl浓度 NH3浓
度Ⅴ/Ⅲ65.82% 3.24% 67.06% 89.83%8 环进口 15.09% 8.01% 9.63%
20.84%12环进口比生长速率4环进口19.56% 16.13% 6.24% 38.80%
3种反应室中的NH3进气流量均为9 524 cm3·min－1，占总进气的10%左右。

与占总气体约4%的GaCl气体相比，NH3气体在衬底上方可获得更均匀的分布，并且受进气口分布的影响较小。

由图3(b)及表1可知，衬底上方的NH3浓度由高到低依次为12环、8环、4环进口反应器，浓度分布均匀性由高到低依次为4环、8环、12环进口反应器。

Ⅴ/Ⅲ比与衬底上方的NH3浓度成正比，与GaCl浓度
成反比。

由图3(c)及表1可知，衬底上方Ⅴ/Ⅲ比及均匀度由高到低顺序相同，依次为12环、8环、4环。

其中4环进口衬底上方的Ⅴ/Ⅲ比不到10，而8环及12环进口的Ⅴ/Ⅲ比接近20。

综上所述，反应器为4环进口时，尽管衬底上方的GaCl浓度较高，然而其Ⅴ/Ⅲ
比低于10，NH3的分解将不足以提供充足的活性N原子，导致GaN生长处于富Ga状态，生长有可能受NH3质量输运控制［10］。

由图3(b)知4环进口反应器衬底上方的NH3浓度最低，因此其生长速率有可能低于其他两种情况。

另外，较低且不均匀的Ⅴ/Ⅲ比值会造成晶体质量下降。

因此，下文将不再考虑4环进口的
反应器。

反应器为8环进口及12环进口时，GaCl浓度虽然较低，然而其均匀性
较好;并且Ⅴ/Ⅲ比值较高，可以保证GaN生长受GaCl质量输运控制，从而获得
较好的GaN生长。

两者衬底上方GaCl和NH3的浓度和Ⅴ/Ⅲ比相差不大，下文
将进一步采用输运-生长模型进行分析。

3.2 输运-生长模型
通过模拟得到衬底上方的GaCl扩散通量分布，并由公式(1)计算得出GaN生长速率，其分布如图4所示。

结果显示，8环进口反应器的GaN生长速率高于12环
进口。

由于薄膜生长速率主要由扩散到衬底表面的GaCl通量决定，根据菲克定律，
扩散通量与衬底上方的物质浓度梯度成正比。

而物质的浓度梯度不仅与浓度有关，还与浓度边界层厚度有关。

反应物浓度越高，边界层越薄，则GaN生长速率越高。

图5为GaCl浓度沿反应器中心轴线的分布，图中衬底上方GaCl浓度变化较大的区域即浓度边界层。

由图5可知，8环进口及12环进口衬底上方的GaCl浓度边
界层分别为10 mm及13 mm。

尽管8环进口衬底上方的GaCl浓度低于12环进口，然而由于其较薄的浓度边界层，导致8环进口的GaN生长速率反而高于12
环进口，即GaCl浓度边界层厚度对生长速率的影响大于浓度对生长速率的影响。

图4 GaN生长速率对比图Fig.4 Radial growth rate distribution for different annular inlets reactor
图5 反应器中心轴线的GaCl浓度分布Fig.5 The concentration of GaCl along the axis of symmetry
另外，从图4中的生长速率曲线发现，GaN生长速率在衬底边缘处出现急剧上升
的现象。

这是由于在衬底中心上方，生长表面上仅存在与衬底垂直的浓度梯度;然
而在衬底边缘处，生长表面上同时存在着纵向及横向的浓度梯度，促进了气相中的GaCl物质向衬底处的扩散，因此造成衬底边缘处生长速率的突升。

Dam等［5］在其模拟及实验中也得到了相似结果。

不考虑衬底边缘生长速率突升的部分，利用公式(2)计算得到两者生长速率的不均匀度，同样列于表2，其中8环进口的生长
速率均匀度高于12环进口。

综合考虑反应室流场、温场、GaCl浓度、NH3浓度、Ⅴ/Ⅲ比值及生长速率等因素，发现8环进口反应器最有利于GaN的HVPE生长。

4 结论
利用FLUENT软件对3种环形分隔进口(4环、8环、12环)的HVPE反应器进行
了二维数值模拟，分别考虑了输运过程和输运-生长过程。

首先，由输运模型得到
了反应室中的温场、流场及浓度场。

结果显示:随着进气口环数的增加，反应器内
流场分布逐渐均匀，而8环进口反应器衬底上方的温度分布最均匀。

由浓度分布
结果可知:4环进口的GaCl浓度高、Ⅴ/Ⅲ比低、均匀性差;8环及12环进口反应器GaCl浓度低，而均匀性较好，Ⅴ/Ⅲ比高。

由输运-反应模型得到了8环及12环进口反应器的GaN生长速率。

尽管8环进口反应器衬底上方的GaCl浓度低于12环进口，却因其较薄的边界层厚度而导致较高的生长速率。

综合流场、温场、浓度场、生长速率等因素发现，8环分隔进口的反应器最有利于 GaN的HVPE生长。

参考文献:
［1］Hemmingsson C，Pozina G，Heuken M，et al.Modeling，optimization，and growth of GaN in a vertical halide vapor-phase epitaxy bulk reactor［J］.J.Cryst.Growth，2008，319(5):906-910.
［2］Zhang L，Shao Y L，Wu Y Z，et al.Simulation of gas distribution in HVPE reactor and influence of GaCl carrier gas flow rate on the GaN crystal growth［J］.J.Synth.Cryst.(人工晶体学报)，2011，40(4):854-857(in Chinese). ［3］Wang N W，Stepanov S I.Deposition technique for producing high quality compound semiconductor materials:US，7906411 B2［P］.2011-03-15.
［4］Monemar B，Larsson H，Hemmingsson C，et al.Growth of thick GaN layers with hydride vapour phase epitaxy［J］.J.Cryst.Growth，2005，
281(1):17-31.
［5］Dam C E C，Grzegorczyk A P，Hageman P R，et al.The effect of HVPE reactor geometry on GaN growth rate-experiments versus simulations［J］.J.Cryst.Growth，2004，271(1/2):192-199.
［6］Safvi S A，Perkins N R，Horton M N，et al.Effect of reactor geometry and growth parameters on the uniformity and material properties of
GaN/sapphire grown by hydride vapor-phase epitaxy［J］.J.Cryst.Growth，
1997，182(3):233-240.
［7］Ma P，Duan Y，Wei T B，et al.Theoretical simulation of vertical HVPE reactor and GaN thick film growth［J］.Chin.J.Semicond.(半导体学报)，2007，28(z1):253-256(in Chinese).
［8］Zhao C Z，Xiu X Q，Zhang R，et al.Simulation study on GaN growth of the vertical HVPE reactor［J］.Chin.Phys.Sci.(中国科学)，2010，40(1):82-85(in Chinese).
［9］Cai D，Zheng L L，Zhang H，et al.Modeling of gas phase and surface reactions in an aluminum nitride growth system
［J］.J.Cryst.Growth，2006，293(1):136-145.
［10］Li J.Study on Free-standing GaN Growth by HVPE
［D］.Changchun:Changchun University of Science and Technology，2009(in Chinese).。