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LP-MOCVD反应器中输运现象的数值研究

钟树泉

，任晓敏

，黄永清

，黄辉

，王琦

北京邮电大学光通信与光波导教育部重点实验室，北京（100876）

E-mail：shuqzhong@gmail.com

摘要：本文利用二维动力学模型，通过变化 MOCVD (Metal Organic Chemical Vapor

Deposition) 反应器的几个重要工艺控制参数，计算了其内部稳态热流场均匀分布的条件，

实现了反应器操作参数的优化配置。在此基础上，计算并可视化了质量输运过程的瞬态行为，

分析了延迟时间、驰豫振荡、自脉动振荡等瞬态现象产生的原因，为高品质外延生长工艺的

设计提供了有效的解决方案。

关键词：晶体外延生长，MOCVD 反应器，输运过程，热流场

中图分类号：TN304

1. 引言

MOCVD是由美国的H.M. Manasevit等

[1]

，于 1968 年首先提出的批量制备化合物半导体

材料的技术。目前，该设备所生产的微电子、纳电子、光电子材料和器件，已成为提高国防

武器与指挥系统性能的关键技术，且成为高速光通信、3G移动通信、宽带卫星通信、高效

太阳能电池、宇宙深层空间探测技术之基石

[2-6]

。

在 MOCVD 中外延异质结构的材料时，用来生长晶体的各组份和掺杂剂，都是以气态

方式进入反应器的；通过周期性地切换各种反应气体控制其流入量，在衬底上外延出特定组

份、特定厚度、特定导电类型、特定电学和光学性能的晶体材料。然而，周期性地切换控制

前驱物进入反应器，到衬底上方的反应物形成稳定的流动状态，存在着许多瞬态过程。特别

是基于量子点、量子线、量子阱超晶格等纳米材料的制备时，其外延生长过程更为复杂，瞬

态现象更是随处可见。

纵观MOCVD的发展历程，可以发现自 1980 以来，国外科技人员利用水力学实验、光

学测量

[7-10]

和数值计算

[10-13]

等方法，对MOCVD反应器内部极端复杂的质量输运过程进行了

大量的研究，取得了许多有价值的成果，并且在 1990 年左右，形成研究的第一个高潮；随

后，其研究呈现稳中攀升的状态，近几年这一课题依然是该领域研究的热点，并形成第二个

高潮。但是，以上研究内容还主要集中于稳态方面，对有价值的瞬态特性的研究，在国际上

还鲜见报道；而瞬态行为是客观存在的现象，它对化合物半导体材料纳米级多层结构的外延

生长，是不容忽视的要素。

本文以英国 THOMAS SWAN 公司 3X2″CCS LP-MOCVD 设备为研究对象，首先从

MOCVD 反应器的稳态研究出发，大范围变化工艺参数，考察其流体力学特征，并提取设备

工艺参数进行优化计算，得出了反应器中热流场稳态分布变化的规律。基于以上计算与分析，

通过微扰反应器的进气量，进一步考察反应器内气体流动的瞬态行为，从宏观上较全面地把

握了反应器内部流体力学的输运特征，得到了一些有价值的研究结果。

本课题得到国家“973”计划项目 (批准号: 2003CB314901)，国家“ 863”计划项目(批准号: 2006AA03Z416,

2007AA03Z418)，国家自然基金面上项目(批准号: 10875018, 10773002)。

- 1 -

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2. 数学物理模型及计算条件

2.1 MOCVD 反应器几何结构

如图 1 所示：MOCVD 反应器为圆柱腔结构，几何尺寸为基座半径 R=70mm，尾气流道

的宽度 D=12mm，顶部 Showerhead 与基座的距离(反应器的高度)h=10mm，腔体高度

H=300mm。Showerhead 为气体分布器，它是开有很多小孔的一块平板，每平方英寸大约有

100 个小孔，其大小和基座相当，以确保气孔完全覆盖整个基座；另外，Showerhead 可被冷

却水控温在 50－60℃。Showerhead 采用如此复杂结构之目的，是为了防止Ⅲ、Ⅴ族源的预

混反应。基座是由石墨材料制成，衬底可放置在基座上的凹槽中；基座具有加热功能，可使

衬底升温至 1250K；在材料生长的时候，基座连同其上的衬底是旋转的，转速为 0—800rpm(转

/每分钟)。反应器的内外侧壁皆为石英材料，外侧壁用冷却水制冷，以保证其温度接近室温。

Quartz liner

Showerhead

Susceptor

Cooled

water

Gas

inlet

0-800 rpm

Gas outlet Gas outlet

图1 垂直式MOCVD反应器简图

Fig.1 Schematic of vertical MOCVD reactor

2.2 数学物理模型

MOCVD反应器的载气一般为H

，它携带Ⅲ族MO源和Ⅴ族源从Showerhead的小孔，均

匀喷入反应器；混合气体流经被适当加热的衬底后，发生化学反应并产生单体分子；这些单

体分子将会碰撞、凝聚、结晶、生长而成为分子团粒子，最终在衬底表面上形成异质结构。

流体中未沉积在衬底的分子团，将随反应物、副产物及载气，经过侧壁尾气流道离开反应器，

经尾气处理系统后排放。

由于半导体材料的外延生长工艺，通常发生在700～1270K和50～760torr条件下，反应

器内部气体流动速度很低，可以认为是不可压、连续、理想流体；其流体力学特征满足质量、

动量、能量和组分守恒等方程，可由一组封闭的微分方程表示为：

质量守恒方程：

−∇⋅

(1)

动量守恒方程：

τρ

=−∇ +∇⋅ +

(2)

能量守恒方程： :

uq u

−∇⋅ −∇⋅ + ∇+

GI G

(3)

组分守恒方程：

() ( )

iii

YuYJR

ρρ

∂

∇⋅ =−∇⋅ + +

∂

(4)

状态方程（对于理想气体）：

RT M

(5)

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