D0I:10.13374/i.issn1001-053x.2002.02.018 第24卷第2期 北京科技大学学报 Vol.24 No.2 2002年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2002 NH,PH,热分解对Ⅲ-V族半导体 MOVPE外延生长的影响 李长荣) 卢琳) 王福明) 张维敬) 1)北京科技大学材料科学与工程学院，北京1000832)北京科技大学冶金学院，北京100083 摘要以GaN和(Ga-ln,)P半导体的金属有机物气相外延生长(MOVPE)为例分析了V族 气源物质NH和PH,热分解对半导体化合物外延生长成分空间的影响.根据外延生长过程中 NH,和PH,实际分解状况，建立了气源物质不同分解状态下的热力学模型，进而应用Thermo- calc软件计算出与之对应的成分空间.计算结果与实验数据的对比表明：GaN和(Ga-In)P半 导体的MOVPE过程的热力学分析必须根据V族气源物质NH,和PH,的实际热分解状况，进行 完全平衡或限定平衡条件下的计算和预测，完全的热力学平衡分析仅适用于特定的温度区段 或经特殊气源预处理的工艺过程. 关键词热力学分析；V族气源；热分解；GaN;(Ga-,n,)P;MOVPE 分类号TN304.2 MOVPE过程对于V族气源物质的要求是 平衡关系有很大影响 很严格的.一方面，V族前体在室温下必须稳 本文将通过GaN和(Ga-n)P半导体MOV 定，不允许在储存中发生分解；另一方面，为了 PE外延过程的热力学分析及与试验对比，说明 适应I-V族半导体MOVPE生长的要求，V族 V族气源物质NH,和PH,热分解对半导体外延 前体又必须在尽可能低的生长温度下热解，但 生长成分空间的影响 不与Ⅲ族元素的金属有机化合物发生不理想 1V族气源物质NH,和PH的热分解 的热解反应，而导致源材料的贫竭和造成生长 环境的污染.事实上，V族气源物质的热分解状 在热力学平衡条件下，H,和PH,的分解情 况对于-V族半导体MOVPE外延生长的相 况如图1(a)和图2(a)所示.在较高温度下，NH 1.0 1.0 -o-(Ga+CaN)在i英舟中 石墨炉村GaN在H2退火（有 NH, Ga(1)牛成) 0.8 0.8 石墨炉衬GaN在(H,+NH)中 退火（无Ga(1)牛成） 时 石墨炉衬 0.6 ·一石英炉 (a)分压 石墨炉村GaN在N,中退火 (无Ga(1)生成)/ 0.4 三 0.4 (⑥)分解率 0.2 0.2 OL ←N: 0 200300 400 500 600700 1000 1200 1300 1400 T/K T/K 图1NH分解率随温度的变化 Fig.1 Change of NH,pyrolysis rate with temperature 收稿日期2001-12-11李长荣女，40岁，教授 *国家“863”计划项目资助课题N0.715-010-0032)第 24 卷 第 2 期 2 0 02 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 JO u r n a l o f U n vi e r s tiy o f S e i e n e e a n d Te c h n o lO gy B e小n g V匕L2 4 N 0 . 2 A P r. 2 0 0 2 N H 3 ,P H 。 热分解对 n l一 V 族半导体 M O V P E 夕卜延生长 的影响 李长荣 ” 卢 琳 ” 王福 明 2 , 张维敬 ” l) 北京科技大学材料科学 与工程学 院 ,北京 10 0 0 8 3 2 )北京科技大学 冶金学院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 以 G aN 和 (G a : 一 J叼 P 半导体的金属 有机物 气相外 延生 长( M o v P E )为例 分析 了 v 族 气源物质 N H , 和 P H 3热分解 对半导 体化合物外 延生长 成分 空间的影 响 . 根据 外延 生长过 程 中 N H 3和 P H 3实 际分解状 况 , 建 立 了气 源物 质不 同分解状 态下 的热力学 模型 , 进 而应用 hT e mr 。 - ca lc 软件计算出与 之对应 的成分空间 . 计算结果 与实 验数据 的对 比表 明 : G aN 和 (G al 一 J 几) P 半 导 体的 M O V P E 过程 的热力学 分析 必须根据 V 族气源物质 N H , 和 P凡 的实 际热 分解状 况 , 进行 完全平衡或 限定平衡条件下 的计算和 预测 , 完全 的热力 学平衡分析仅适用 于特定 的温度 区段 或 经特殊 气源预处 理 的工艺过程 . 关键 词 热力学 分析 ; V 族气源 : 热分解 : G 州: (G a l 一 x l几) P: M o v P E 分 类号 1…N 3 0 4 . 2 M O VP E 过 程对 于 v 族气源 物质的要求是 很严格 的 (1 . 一方 面 , V 族 前体在室 温下必须稳 定 , 不允许在储存 中发生分解 ; 另一方面 , 为 了 适应 n l - V 族半导体 M O VP E 生长的要求 , V 族 前体又 必须在尽可 能低 的生长温度下热解 , 但 不与 m 族元素的金属有机化合物发生不理想 的热解 反应 , 而 导致源材料的贫竭和 造成生长 环境 的污 染 . 事实上 , v 族气源物质 的热分解状 况对于 1 一 族半 导体 M O V PE 外延生长的相 平衡关系有很大影响 . 本文将通过 G aN 和(G a l 一 J xn ) p 半导体 M o V - P E 外延过程 的热力学分析及与试验对 比 , 说明 v 族气源物质 N H , 和 P H 。 热分 解对 半导体外延 生 长成分空 间的影响 . I V 族气源物质 N 玩和 P 玩 的热分解 在 热力学平衡条件下 , N H , 和 PH , 的分解情 况如图 1 (a) 和 图 2 a( )所示 . 在较高温度下 , N H 。 阅` 一一~ N H 3 1 . 0 0 . 8 并 感 .0 6 求 密 受 0 . 4 0 . 2 一 。 一(G a + C aN )在石 英舟 中 一 `一 石 墨炉衬 G aN 在 H Z退火(有 G a ( l )生成) 一 、 一 石 墨炉衬 G aN 在(H Z+ N凡 )中 退 火(无 G a ( 1) 生成) 一 口 一 石 墨炉衬 一石英炉 n 八o : `几. 0 a() 分压 \ / 一 H Z (b )分解率 `U月, 0 曰 八U 七立工x 、气 0 . 2 2 00 30 0 , 「N Z 4 00 T / K 0 一1 一 5 0 0 60 0 7 0 0 1 00 0 1 2 0 0 1 3 0 0 14 0 0 T / K 图 1 N H 3分 解率 随温度 的变化 F论 . 1 C h a n ge o f N H , yP or ly is r a et w i t h t em P e r a tU r e 收稿日期 2 0 0一12 一 11 李长荣 女 , 4 0 岁 , 教授 * 国家 “ 8 6 3 , , 计#IJ 项 目资助课题 卿 。 7 15 一 0 10 一 00 3 2) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 02. 018