氮化物薄膜主要是指氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、铝镓氮(AlGaN)第三代半导体薄膜材料,它们具有较高的禁带宽度、较大的击穿场强、高热导率、耐高压等优良的电气特性。因此,氮化物薄膜在制备新型大功率半导体器件方面有广阔的应用前景。金属有机化学气相淀积(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,简称MOCVD)是大规模生产氮化物半导体薄膜的主要技术。由于MOCVD生长氮化物薄膜过程的复杂性,虽然已有一些研究成果,但是目前对利用MOCVD生长氮化物薄膜过程的理解仍然不够清晰,需要对利用MOCVD生长氮化物薄膜进一步研究。对氮化物薄膜生长机理的研究有助于了解氮化物薄膜的生长过程进而生长出高质量的氮化物半导体薄膜。本文研究目的是借助仿真软件,通过建立MOCVD氮化物薄膜生长模型对氮化物薄膜的生长过程进行数值计算模拟,研究反应室相关参数变化对不同氮化物生长时中间产物的浓度变化及其空间分布的影响,并考虑这些参数变化对衬底薄膜的生长率和均匀性影响,探究相关氮化物生长机理,最终得到高质量氮化物薄膜的生长条件。研究所得成果对提高实际生长氮化物薄膜的质量有着重要指导意义。论文的主要内容如下:(1)建立MOCVD反应室的多物理场的耦合模型。首先根据实际MOCVD反应室的状态进行了物理模型的设定,在物理模型设定的基础上建立了控制方程,包括连续性方程、动量方程、能量守恒方程、气相反应速率方程、表面反应速率方程。对模型的边界条件进行了设定,使模型符合生长要求,并采用有限元法对模型进行计算求解。(2)详述了相关氮化物的化学反应模型。本文首先对通用的氮化物化学反应模型进行了论述,在此基础上详细介绍了氮化镓、氮化铝、铝镓氮三种氮化物的化学反应模型。其中氮化镓生长的化学反应模型由气相反应和表面反应组成。气相反应包含十三个个化学反应,以热解反应为主。表面反应由七个反应构成。氮化铝的化学反应同样由气相反应和表面反应构成。气相反应包含十个化学反应,但是以加合反应为主。表面反应由六个反应构成。铝镓氮的气相反应模型与氮化镓、氮化铝相似,但是在表面反应中由于涉及到两种金属原子并入衬底晶格,而这两种金属原子由于自身特有的物质属性并入晶格的概率不相等,所以在生长铝镓氮薄膜时组分控制是一个普遍难题。(3)本文在建立多物理场耦合模型和相关化学反应模型的基础上分别对氮化镓薄膜,氮化铝薄膜,铝镓氮薄膜在小尺寸(2英寸)电磁加热式MOCVD反应室里生长过程进行了仿真。针对氮化镓薄膜重点研究了热解反应与温度的关系、自由基反应、反应物中间产物浓度的变化。针对氮化铝薄膜重点研究了加热电流和频率、载气组成成分、进气口温度、边界层寄生反应的影响。针对铝镓氮薄膜组分控制难的问题,研究了不同温度、压强、载气成分、V/III下铝组分的变化规律以及生长率和均匀性的变化。(4)在研究小尺寸(2英寸)MOCVD反应室的基础上,本文对大尺寸(8英寸)MOCVD反应室进行了初步的建模仿真。模拟了氮化铝薄膜在8英寸反应室下的生长,研究了大尺寸MOCVD反应室的高度对其生长的影响,分析了不同高度下的寄生反应产物浓度分布的变化。并进一步研究了大尺寸MOCVD反应器中进气口温度、反应室内部压强的变化对氮化铝薄膜生长率的影响和中间产物的影响,总结了氮化铝薄膜在8英寸反应室下相关生长规律。