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Effects of reaction-kinetic parameters on modeling reaction pathways in GaN MOVPE growth
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资源说明：### 反应动力学参数对GaN MOVPE生长反应路径建模的影响
#### 研究背景与目的
金属有机化学气相沉积（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE）是制造高质量氮化镓（GaN）薄膜的重要技术之一，在半导体器件、光电子学等领域具有广泛的应用前景。在MOVPE过程中，反应物通过复杂的气相化学反应最终沉积在基底上形成GaN薄膜。因此，深入理解并精确模拟这些化学反应过程对于优化生长条件、提高薄膜质量至关重要。
本研究旨在探讨反应动力学参数（主要是活化能Ea和前因子A）对GaN MOVPE生长过程中气体反应路径的影响。由于这些参数的选择存在不确定性，这不仅影响了气相反应路径的确定性，还进一步影响了最终薄膜的生长速率。
#### 主要研究内容
**1. 研究方法**
本研究采用数值模拟的方法，对垂直旋转盘反应器中的GaN MOVPE生长过程进行了建模分析。模型中考虑了主要的反应路径，并在不同条件下改变关键的反应动力学参数，以评估它们对气体反应路径及生长速率的影响。
**2. 模型参数选择**
研究中关注的主要动力学参数包括活化能Ea和前因子A。这些参数的选择对于理解反应机理至关重要，因为不同的参数值会导致不同的反应路径，进而影响到反应物的转化效率以及最终薄膜的质量。
**3. 结果与讨论**
- **反应路径的影响：**研究结果显示，根据动力学参数的不同值，气相反应路径可能主要由加合/酰胺形成路径、三甲基镓（TMG）裂解路径或两者共同作用所主导。
- **生长速率的变化：**尽管反应路径会随着动力学参数的变化而变化，但预测的生长速率变化并不显著。这是因为无论采取哪种反应路径，向基底传输的含镓物种总量变化不大。
- **前体分子的作用：**通过对酰胺三聚反应的前因子进行调整发现，形成更多三聚体时，生长速率会低于实验值。这表明三聚体作为生长前体的效率较低，可能是由于高温梯度下热扩散效应导致的。
- **物种贡献的顺序：**在不同反应路径中，含镓物种对生长速率贡献的有效顺序为：裂解物种 > 酰胺 > 三聚体。这意味着裂解产物是更有效的生长前体。
- **自由基反应的影响：**当考虑到NH2的存在时，H自由基在链反应中的生成和消耗导致自由基反应对气相反应路径的影响较小。
#### 结论
本研究通过数值模拟揭示了反应动力学参数如何影响GaN MOVPE生长过程中的气体反应路径。研究表明，虽然反应路径随动力学参数的变化而变化，但由于向基底传输的含镓物种总量相对稳定，生长速率的变化相对较小。此外，还发现了不同含镓物种对生长速率贡献的有效顺序，以及三聚体作为生长前体的低效率问题。这些发现有助于更好地理解GaN MOVPE生长过程中的化学机制，并为进一步优化生长条件提供了理论指导。
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