166· 北京科技大学学报 2002年第2期 10 (a)平衡条件 106)不同环境 H2 Pa 0.1 0.1 equ● 10 20[x 103 H,P, 10-36 0 10-3 ● 10 P 10- H.P, 105 10* O一Larsen,et al 10-6 10 P H ●-Larsen,et al 10- H.P 10 10- 600 800 1000 12001400 600800 100012001400 T/K T/K 图2PH分压随温度的变化 Fig.2 Change of PH,pressure with temperature 基本上完全分解，其产物为N,和H;PH,主要分 使用Ⅲ族气源物质TMGa,C的引入存在成分 解产物为H,P,和P.但是，实际过程中NH,和 限制条件：x(C)3x(G)=0.实际生长温度通常 PH的分解却有所不同，如图1(b)和图2b)1 为1323K(1050℃)，压力为1个标准压力，即100 所示，V族气源物质的分解受试验条件、催化 kPa. 剂、温度等的影响.因而在热力学模拟过程中应 (2)Ga-ln-PC-H体系.以三甲基镓、三甲基 该充分考虑NH,和PH不同的分解状态，从而 铟(TMn,即In(CH))和V族PH,为气源物质， 使计算条件和试验环境很好地对应起来，使热 以氢气为载气.计算中考虑的参数及其范围有： 力学的分析和预测对实际更有指导意义 x(P)/(x(Ga)+x(In))=100,x(P)-100x(Ga)-100x; (In)0;Il族元素总量约x(Ga+x(n)=5×10 2外延生长成分空间的热力学分析 5×10；C的引人存在成分限制条件为：x(C) 根据实际的MOVPE半导体外延生长工艺， 3xGa-3x(n)-0.生长温度为823-1023K(550- 确定热力学计算系统及相应的参数范围.GaN 750℃)，压力为1个标准压力(100kPa). 和(Ga-In)P半导体MOVPE生长工艺涉及的 图3(a)和(b)分别为模拟NH,在完全热力学 体系分别为： 平衡和完全不分解2种情况下，MOVPE外延生 (1)Ga-NC-H体系.以三甲基镓(TMGa,即 长GaN半导体时成分空间的分布状况.图4(a), Ga(CH))和氨气(NH)为气源物质，并以氢气 (b)和（©）分别为模拟PH,在完全热力学平衡、完 (H2)为载气.计算中考虑的参数有向：Ga的总摩 全不分解、以及部分分解情况下，外延生长半导 尔分数为x(Ga)10103,V族元素总量与I族 体(Ga-ln)P时半导体成分随气源成分的变化 元素总量之比为xN)(Ga)0.1~10°同时，由于 情况 10 (a)热力学平衡 10 (b)NH,完全不分解 系统边界 ● 系统边界 10 10 氮化物+气相■ ●7] (eS)TI/A a[8] ■[9 102 气相 液相+气相 102 [10,11] HIA 阅化物+气相+液相 气相 液相+气相 10-4 105 10-4 103 10 10- 10-4 10- x(Ga) x(Ga) 图3GaN半导体MOVPE生长成分空间的变化 Fig.3 Compositional space for MOVPE growth of GaN北 京 科 技 大 学 学 报 2 0 02 年 第 2 期 砚01 -3 1100. 1 1 0 l( a) 平衡条件 立七工月x 、 ` 鸳 1.02 01 矛、6 ,夕 一is 0on ù 心月.J1 峪矛、. 6 一ù o n ù 0 , . 1 劝盆心孟. 乞例氏一. x \段 H , P l b( ) 不同环境 一 翩比. . 一 以 . O . 0 一 L ar s e n , e t al l3 1 . 一七ar s e n , e t a l l 4] 1 1 1 1 0 0 0 T / K 1 2 0 0 1 4 0 0 1 0 0 0 1 2 0 0 1 4 00 T / K 注1 一n/ 了 ù 止1/ 0 1 二. 尸ó只U 了é 一八曰/ /沪 / 一O r . 1 .卜érse . L甘JL ù `U 图 2 P n , 分压随 温度 的变化 F i g · 2 C h a n ge o f P H , P r e s s u er iw t h et m P e r a t u er 基本上 完全分解 , 其产物为 N Z 和 H Z ; P H , 主要分 解产物为 H Z , P 4 和 P 2 . 但是 , 实际过程 中 N H , 和 P H , 的分解却有所 不同 , 如图 l ( b ) `, ,和 图 2 ( b ) 〔,巧 , 所示 , v 族 气源物质 的分 解受试验条件 、 催化 剂 、 温度等的影响 . 因而在热力学模拟过程 中应 该充 分考虑 N H 。 和 P H , 不 同的分解状态 , 从 而 使计算 条件和 试验 环境很好地 对应起来 , 使热 力学 的分析和预测 对实际更有指 导意义 . 2 外延生长成分空间的热力学分析 根据实际 的M O V P E 半导体外延生长工艺 , 确定热力学计 算系统及 相应 的参数 范围 . G aN 和 ( aG , 一 : xnI ) P 半 导体 M o VP E 生 长工艺涉及 的 体系分别为 : ( l ) G a ` N 一 C一 体 系 . 以 只 甲基嫁 ( T M G a , 即 G a (C H 3 ) , ) 和 氨气 ( N H , ) 为气源物质 , 并 以氢气 ( H Z )为载气 . 计算 中考虑 的参数有 `6] : G a 的总摩 尔分数 为x( G a) = 1 0巧一 10 一 , v 族元 素总量 与 m 族 元 素总量 之 比为x 困)x/ (G a) =0 . 1一 1少 . 同时 , 由于 10 ` 卜\ (a) 热力学 平衡 } 使 用 m 族气源 物质 T M G a , C 的引人存在成 分 限制条件 : x( )C 一x( G a) 二 0 . 实际生长温度通 常 为 1 3 2 3 (K 1 o 5 0℃ ) , 压力为 1 个标准压力 , 即 10 0 k P a . (2 )G a 一n - P曰 C书 体系 . 以 只 甲基嫁 、 只 甲基 锢 ( TMI n , 即 I n ( C H , ) 3 ) 和 V 族 P H , 为气源物 质 , 以氢气为载气 . 计算 中考虑 的参数及其范围有 : x (P ) /x( ( G a) +x ( I n ) ) 二 10 0 , 即x (P卜10 0x ( G a卜10 0x ; ( I n ) = 0 ; 111 族 元 素 总 量 约 x ( G a )+x ( I n ) = 5 x 10礴一 5 火 10 一 , ; c 的 引人存 在 成 分 限制条 件 为 : x( C升 3龙 a冲x( ih )司 . 生长 温度 为 8 2 3一 1 o 2 3 K ( 5 5 0 - 75 0℃ ) , 压力为 1 个标 准压 力( l o kl, .a) 图 3 (a) 和 (b) 分别为模拟 N H , 在完 全热力学 平衡 和 完全不分解 2 种情况下 , M O VP E 外延生 长 G aN 半导体时成分 空 间的分布状 况 . 图 4 a( ) , b( )和 c( )分 别为模拟 P H , 在完 全热力学平衡 、 完 全不分解 、 以及部分分解情况下 , 外延生长半 导 体 (G a ,一 J xn ) P 时半导体成分 随气 源成分 的变化 情况 . 系统边界 下 [ 7 ] [ 8 ] [ 9 1 11 0 , 1 1 ] 气相 l `卜厂es| 0 赵守息ǎ淤à 缺. 琴 1 0 一6 10 一 5 10 一 4 10 一 3 10 一6 1 0 一 , 1 0 一 4 10 一 3 x (G a ) x( G a) 图 3 G a N 半导体 M O V P E 生 长成 分 空间的 变化 F i g · 3 C o m P o g i it o n a l s P a ce fo r M O V P E g or w 伍 o f G a N