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研究生:陳俊榮
研究生(外文):Chun-Jung Chen
論文名稱:以金屬有機化學氣相沉積製備氮化鎵/氮化銦/氮化銦鎵之製程模擬與反應動力學研究
論文名稱(外文):The study of simulation and kinetic analysis for GaN/InN/InGaN by metal organic chemical vapor deposition
指導教授:魏大欽
指導教授(外文):Ta-Chin Wei
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:化學工程研究所
學門:工程學門
學類:化學工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2015
畢業學年度:103
語文別:中文
論文頁數:125
中文關鍵詞:金屬有機化學氣相沉積動力學模型氮化銦鎵
外文關鍵詞:MOCVDkinetic modelInGaN
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本研究建立氮化鎵、氮化銦及氮化銦鎵之金屬有機化學氣相沉積反應機制,以零維反應器模型求解。並利用物種生成速率分析(Rate-of-production Analysis),探討不同操作參數對鍍膜製程之影響。
研究發現,文獻建立的氮化鎵化學反應機構可被有效簡化且不失模型精準度。當溫度介於900K到1300K之間為最佳製程溫度,此溫度區間達最大鍍膜速率且速率由進氣三甲基鎵流量所控制;溫度在1400K時,壓力的變化明顯影響到表面物種分佈,導致鍍膜速率的改變。壓力的改變,則因高溫脫附區,壓力對反應物種覆蓋率有所影響而改變鍍膜速率。由氮化銦的模型結果可發現溫度在973K之前,鍍膜速率隨著溫度提升而上升; 973K以後,氮化銦本身的熱裂解導致鍍膜速率的降低,壓力的變化則明顯影響到鍍膜速率。研究發現,壓力的提高可提升反應物的滯留時間及反應物種覆蓋率,而使鍍膜速率上升。結合以上兩模型所建立的氮化銦鎵模型,可清楚地呈現不同操作參數對其含銦量及鍍膜速率的的影響,利用不同的氣相進氣銦鎵比,可明顯地改變固相中的含銦量。除了受進氣銦鎵比影響之外,溫度的變化可明顯地影響氮化銦本身熱裂解的程度,壓力的改變則可影響反應物種覆蓋率,使固相含銦量有所改變。
本研究所建立的模型可有效地探討金屬有機化學氣相沉積中複雜的化學反應機制,化簡過後的模型計算結果與實驗數據相當吻合,將其應用於未來二維及三維等複雜反應器模型,可有效地提升運算速度並保有精準度。


A zero-dimension reactor model and the chemical mechanisms of GaN / InN / InGaN metal organic chemical vapor deposition (MOCVD) have been investigated in this research. The influence of the process parameters is discussed by Rate-Of-Production analysis.
It is found that GaN reaction mechanism from literature can be successfully reduced and the model predictions agree with the experimental data. The model shows that the optimal temperature range for GaN MOCVD is from 900K to 1300K at diffusion-limit regime. The results of InN model show that the growth rate increases as temperature increases at kinetic-limit regime. However, the profile of growth rate at diffusion-limit regime is different from GaN model because the decomposition of InN occurs. The results indicate that the resident time is responsible for the effect of pressure on the growth rate in addition to the change of the surface species coverage. Lastly, we combine both GaN and InN models to establish the InGaN model and investigate the effects of the inlet gas ratio, temperature and pressure to the InGaN growth rate and indium composition of the film.
This research has successfully established the model to deal with the complex chemical mechanism in InGaN MOCVD. All models agree with the experimental data. Thus, it enables to reduce the complexity of 2-D and 3-D modeling calculation.


目錄
中文摘要 I
Abstract III
誌謝 IV
目錄 VI
圖目錄 VIII
表目錄 XI
第一章 前言 1
1-1 研究源起 1
1-2 研究內容 2
第二章 文獻回顧 3
2-1 MOCVD簡介 3
2-1-1 磊晶概述 3
2-1-2 MOCVD磊晶系統[4, 5] 5
2-2 薄膜沉積理論[4] 13
2-3 氮化物相關文獻 22
2-3-1 氮化鎵文獻 22
2-3-2 氮化銦文獻 24
2-3-3 氮化銦鎵文獻 25
第三章 研究理論 28
3-1 研究流程 28
3-2 研究應用理論 31
第四章 結果與討論 40
4-1 氮化鎵模型研究 40
4-1-1 利用三甲基鎵製備氮化鎵之反應模型 40
4-1-2 模型結果與文獻比對 50
4-1-3 以ROP分析化簡反應模型之一 60
4-1-4 以ROP分析化簡反應模型之二 67
4-2 氮化銦模型研究 81
4-2-1 利用三甲基銦製備氮化銦之反應模型 81
4-2-2 模型結果與文獻比對 85
4-3 氮化銦鎵模型研究 96
4-3-1 氮化銦鎵鍍膜機制 96
4-3-2 以三甲基鎵及三甲基銦製備氮化銦鎵之反應模型 101
第五章 結論 107
參考文獻 110
作者簡述 113


圖目錄
圖2-1 MOCVD傳輸系統 [6] 5
圖2-2 MO源管線示意圖 [5] 7
圖2-3 VEECO高速旋轉載盤 [7] 10
圖2-4 AIXTRON近耦合式反應腔體 [7] 10
圖2-5 AIXTRON的水平式反應腔體 [8] 11
圖2-6 加熱器示意圖 資料來源: 工業技術研究院機械所 12
圖2-7 薄膜沈積過程 [13] 15
圖2-8 表面吸附過程 [14] 15
圖2-9 島成長方式 [14] 15
圖2-10 熱蒸鍍法 [15] 16
圖2-11 電子束蒸鍍法 [15] 17
圖2-12 電漿濺鍍法 [16] 17
圖2-13 磁控濺鍍法 [16] 18
圖2-14 射頻濺鍍法 [16] 18
圖2-15 反應速率與溫度呈指數關係 [15] 20
圖2-16 金屬有機化學氣相沈積反應過程 21
圖2-17 由Sengupta學者提出的氮化鎵反應路徑 [19] 23
圖2-18 由Hirako學者提出的氮化鎵反應路徑 [23] 24
圖3-1 InGaN化學反應機構建立示圖………………………………………...………..….28
圖3-2 零維反應器模型建立流程圖 29
圖3-3完美攪拌反應器示意圖 32
圖3-4 沉積速率與溫度關係圖 35
圖3-5 Langmuir-Hinshelwood反應機制示意圖 38
圖3-6 Eley-Rideal反應機制示意圖 38
圖4-1 Sandia垂直式金屬有機化學氣相沉積反應器示意 [18]…………………...……..48
圖4-2 氮化鎵鍍膜速率對溫度分佈作圖 51
圖4-3 溫度對氣相物種分率影響 52
圖4-4 溫度對固相主要物種分率影響 54
圖4-5 氮化鎵鍍膜速率對壓力分佈作圖 56
圖4-6 溫度1400K時,壓力對表面RINGM2(S)活性點分佈之影響 57
圖4-7 甲基鎵之總生成與總消耗示意圖 57
圖4-8圖 固定氨氣,改變V/III比對氮化鎵鍍膜速率影響 59
圖4-9 固定三甲基鎵,改變V/III比對氮化鎵鍍膜速率影響 59
圖4-10 氮化鎵之ROP分析 62
圖4-11 氮化鎵環狀鍍膜示意圖 [19] 62
圖4-12 化簡反應模型與先前模型及實驗值比較 64
圖4-13 化簡反應模型之溫度對氣相物種分率影響 66
圖4-14 化簡反應模型之溫度對固相物種分率影響 66
圖4-15 三甲基鎵之ROP分析 69
圖4-16 二甲基鎵之ROP分析 69
圖4-17 甲基鎵之ROP分析 70
圖4-18 固相MMG(S)脫附之lnk對溫度倒數之關係 71
圖4-19 化簡反應模型二之溫度對鍍膜速率影響 73
圖4-20 化簡反應模型二之壓力對鍍膜速率影響 75
圖4-21 溫度1400K時,壓力對表面COMPM1(S)活性點分佈之影響 75
圖4-22 溫度1400K,甲基鎵之總生成與總消耗示意圖 76
圖4-23 化簡反應模型二之溫度對氣相物種分率影響 78
圖4-24 化簡反應模型二之溫度對固相物種分率影響 78
圖4-25 化簡模型二之固定氨氣,改變V/III比對氮化鎵鍍膜速率影響 79
圖4-26 化簡模型二之固定三甲基鎵,改變V/III比對氮化鎵鍍膜速率影響 80
圖4-27水平式金屬有機化學氣相沉積反應器示意圖 [25] 84
圖4-28 氮化銦鍍膜速率對溫度分佈作圖 86
圖4-29 溫度對化學反應路徑之影響,Path1為MIcomp(S)→InN(B) 87
圖4-30 溫度對氣相物種分率影響 88
圖4-31 溫度對固相物種分率影響 89
圖4-32 氮化銦模型之壓力對鍍膜速率影響 91
圖4-33 溫度773K時,壓力對表面MIcomp(S)活性點分佈之影響 91
圖4-34 溫度773K時,甲基銦之總生成與總消耗示意圖 92
圖4-35 氮化銦模型之固定氨氣,改變V/III比對氮化銦鍍膜速率影響 93
圖4-36 氮化銦模型之固定三甲基銦,改變V/III比對氮化銦鍍膜速率影響 94
圖4-37 溫度973K,甲基銦之總生成與總消耗示意圖 95
圖4-38 溫度973K,氣相銦原子之總生成與總消耗示意圖 95
圖4-39 氣相銦鎵鍍膜機制示意圖 97
圖4-40 Sandia垂直式金屬有機化學氣相沉積反應器示意圖 [18] 99
圖4-41固定三族總流量,氮化銦鎵之溫度對鍍膜速率影響 103
圖4-42 AIX-200RF反應器之固相氮化銦含量數據[39] 103
圖4-43 溫度973K下,壓力及不同進氣組成對鍍膜速率之影響 105
圖4-44 溫度973K下,壓力及不同進氣組成對固相含銦比之影響 105
圖4-45溫度973K下,不同進氣比在不同製程壓力對鍍膜速率影響 106

表目錄
表格2-1 不同磊晶技術之優缺點 4
表格2-2 常用有機金屬反應源 7
表格2-3 三五族反應機構之文獻回顧 27
表格4-1 氮化鎵之氣相反應機構,其中A、n、 Ea分別對應為Arrhenius Law : k=k0×T^n×exp(-Ea/RT) [19]……………….…………...……………………………….….43
表格4-2 氮化鎵之氣相反應機構,其中A、n、 Ea分別對應為Arrhenius Law : k=k0×T^n×exp(-Ea/RT) [19] 44
表格4-3 氮化鎵之固相反應機構,其中A、n、 Ea分別對應為Arrhenius Law : k=k0×T^n×exp(-Ea/RT) [19] 45
表格4-4氮化鎵之固相反應機構,其中A、n、 Ea分別對應為Arrhenius Law : k=k0×T^n×exp(-Ea/RT) [19] 46
表格4-5 各表面物種之化學式 [19] 47
表格4-6 Sandia反應器之操作參數 [18] 49
表格4-7 1400K在不同壓力下對氮化鎵之ROP分析 56
表格4-8 氮化鎵之固相化簡反應機構 63
表格4-9 固相MMG(S)脫附之反應常數對溫度之表格 72
表格4-10 氮化鎵化簡反應模型二之氣固相反應機構 72
表格4-11 1400K在不同壓力下對氮化鎵化簡模型二之ROP分析 74
表格4-12 氮化銦之氣相反應機構 83
表格4-13 氮化銦之固相反應機構 83
表格4-14 Yamamoto反應器之操作參數 [25] 84
表格4-15 773K在不同壓力下對氮化銦之ROP分析 90
表格4-16 溫度973K、固定三甲基銦之不同五三比對氮化銦之ROP分析 94
表格4-17 氮化銦鎵之氣相反應機構 97
表格4-18 氮化銦鎵之固相反應機構 98
表格4-19 氮化銦鎵之反應器操作參數 100


參考文獻
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