氮化铝薄膜生长动力学模型与模拟研究

摘要

Al N材料以其高禁带宽度、击穿电场强、热导率高和高紫外透过率等优越的物理、光学和电学性质，在大功率器件、耐高压器件、高温器件和紫外光电器件等领域得到了非常广泛的应用。虽然MOCVD方法是生长高质量AlN薄膜的主流技术，但其生长动力学机理与生长模型等理论研究远落后生长实验研究。
　　基于Grove理论和KMC方法，本文进行了MOCVD生长AlN薄膜的动力学模型建立与模拟研究，并将模型模拟结果与实验数值进行了对比，模型对于实际工艺生长具有指导意义。
　　基于MOCVD技术生长AlN薄膜的生长工艺、生长特性和生长动力学实验，本论文对反应前躯体 TMAl和 NH3的化学反应机理和气相输运过程进行了系统地分析研究，深入理解了各条反应路径对于最终薄膜生长的影响。
　　基于 AlN生长特性和反应机理的研究分析结果，本论文采用Grove理论，研究建立了MOCVD生长AlN薄膜的生长速率模型，根据AlN的生长特性，计算并确定了气相输运系数hg、表面反应速率常数ks、单位薄膜生长所需分子数等模型参数；基于该模型，进行了不同温度(523K-1223K)下和不同压强(0Pa-2240Pa)下AlN生长速率模型的实验验证；对比结果表明，该模型计算结果与实验结果十分吻合：不同温度下生长速率模型的平均误差为8.63％，不同压强下生长速率模型的平均误差为8.03％。
　　采用动力学蒙特卡洛(KMC)算法，本论文对MOCVD工艺生长AlN薄膜的生长动力学及表面形貌进行了模拟研究。根据 AlN的结构和生长特性，研究建立了 AlN薄膜的表面生长动力学模型。根据AlN粒子之间相互作用的势垒能数据，计算了AlN粒子的吸附沉积速率和表面迁移速率等模型参数；基于KM C原理，以Al N四面体结构分子为模型的最基本单元；采用MATLAB语言，对原子级动力学过程进行了程序化实现；进行了AlN粒子从成核到薄膜的KMC生长模拟，给出了不同生长速率和不同生长时间下的表面形貌图。

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第一章 绪论

1.1 AlN材料的研究意义

1.2 AlN材料国内外研究现状

1.3本论文的主要工作

第二章 MOCVD生长AlN的化学反应动力学分析

2.1 AlN材料性质

2.2 AlN的晶格结构

2.3 AlN生长技术

2.4 AlN生长模式

2.5 MOCVD生长AlN的气相反应动力学

2.6 MOCVD生长AlN的表面反应动力学

2.7 MOCVD生长AlN的化学反应机理

2.8 AlN的反应路径

2.9本章小结

第三章 MOCVD生长AlN材料的Grove模型

3.1 Grove理论

3.2基于Grove理论的AlN生长速率模型

3.3 Grove模型计算结果与实验结果验证

3.4本章小结

第四章 MOCVD生长AlN材料的KMC模型

4.1模拟材料生长的几种方法

4.2 KMC生长动力学模型

4.3 KMC模型模拟结果

4.4本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

致谢

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