基于数值模拟的HVPE反应器设计与优化

发布时间：2017-10-01 18:41

  本文关键词：基于数值模拟的HVPE反应器设计与优化

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【摘要】：氮化镓(GaN)材料因其优良的特性以及巨大的应用市场,近二十年来始终为国内外研究者广泛关注。对GaN基光电器件质量和效率日益提高的需求,促使GaN衬底材料的研究逐渐成为热点,氢化物气相外延(HVPE)方法是目前公认最为可行的GaN衬底制备技术。为了获得高质量的GaN单晶,论文基于计算流体力学,采用有限元分析法,对自制的立式大尺寸HVPE系统反应腔进行了二维和三维模型的数值模拟。在HVPE系统中,GaCl、NH3在进气管口的提前反应对反应腔的污染和损害是一大难题,本文所仿真的立式系统创新地通过在GaCl、NH3之间添加分隔气解决了这一问题。二维、三维模型的仿真结果显示,分隔气流量大小对GaCl、NH3在衬底上的浓度分布都有一定的影响,分析得到最佳分隔气流量为500sccm。通过改变源气体V/III比,论文分析了GaN生长分布的变化趋势。随着V/III比增大,二维模型中GaN生长相对均匀性先变好然后变差;三维模型中,GaN生长相对均匀性虽然越来越好,但由于很高的V/III比对于GaN膜的晶体质量有不利影响。我们仍可得到综合各种因素的最佳V/III比为70。论文还在三维模拟中研究了分隔气出气口从竖直改为向内倾斜对GaN生长的影响,发现该倾角增大时GaN的均匀性有改善,但角度很大时GaN生长速率急剧下降,在实验中建议采取小角度。此外针对主载气流量,本文也进行了二维仿真,得到了9500sccm的优化参数。本文在进行各主要工艺参数优化后获得的4英寸衬底面内相对均匀性小于6%。以上数值仿真结果为大尺寸HVPE反应腔腔体、工艺条件的优化提供了理论基础,对实际生产高质量大尺寸GaN有一定的指导意义。
【关键词】：氮化镓衬底 数值模拟 氢化物气相外延
【学位授予单位】：南京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN304
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-8
• 第一章 绪论8-19
• 1.1 引言8-11
• 1.2 GaN材料的性质11-13
• 1.2.1 GaN材料的基本性质11
• 1.2.2 GaN的晶体结构11-12
• 1.2.3 GaN的化学性质12
• 1.2.4 GaN的光学特性12
• 1.2.5 GaN的电学特性12-13
• 1.3 GaN晶体的制备方法13-16
• 1.3.1 GaN晶体制备历程13
• 1.3.2 外延生长技术及衬底材料13-15
• 1.3.3 HVPE生长GaN的研究历程15-16
• 1.4 晶体的表征手段16-17
• 1.4.1 扫描电子显微镜（SEM）16
• 1.4.2 拉曼光谱仪16
• 1.4.3 光致发光谱16-17
• 1.4.4 X射线衍射17
• 1.5 本文主要研究内容17-19
• 第二章 计算流体力学和HVPE生长系统19-28
• 2.1 流体力学基础19-20
• 2.1.1 流体基本性质19-20
• 2.1.2 流体运动的描述方法20
• 2.2 计算流体力学20-22
• 2.2.1 计算流体力学发展历程20
• 2.2.2 流体力学中的基本方程20-21
• 2.2.3 计算流体力学数值模拟以及步骤21-22
• 2.3 Fluent软件群[52,53]22-24
• 2.3.1 Gambit简介23-24
• 2.3.2 Fluent6.0 简介24
• 2.4 HVPE生长系统24-27
• 2.4.1 HVPE生长系统分类24-26
• 2.4.2 本课题模拟研究的立式大尺寸HVPE生长系统26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第三章 HVPE系统反应腔的二维数值模拟28-45
• 3.1 HVPE系统反应腔二维模型建立28-29
• 3.1.1 反应腔几何模型和网格划分28
• 3.1.2 边界条件28-29
• 3.2 V/III比的数值模拟与优化29-34
• 3.2.1 仿真模型29-30
• 3.2.2 流场分布30-32
• 3.2.3 分析与优化32-34
• 3.3 主载气流量的数值模拟与优化34-39
• 3.3.1 仿真模型35
• 3.3.2 流场分布35-38
• 3.3.3 分析与优化38-39
• 3.4 分隔气流量的数值模拟与优化39-44
• 3.4.1 仿真模型40
• 3.4.2 流场分布40-42
• 3.4.3 分析与优化42-44
• 3.5 本章小结44-45
• 第四章 HVPE反应腔的三维数值模拟45-64
• 4.1 HVPE系统反应腔三维模型建立45-46
• 4.1.1 反应腔几何模型和网格划分45-46
• 4.1.2 边界条件46
• 4.2 分隔气流速的模拟与优化46-52
• 4.2.1 仿真模型46-47
• 4.2.2 流场分布47-50
• 4.2.3 分析与优化50-52
• 4.3 V/III比对气流浓度场分布的影响52-58
• 4.3.1 仿真模型52-53
• 4.3.2 流场分布53-56
• 4.3.3 分析与优化56-58
• 4.4 分隔气出气口角度的模拟58-62
• 4.4.1 仿真模型58
• 4.4.2 流场分布58-62
• 4.5 本章小结62-64
• 第五章 总结与展望64-66
• 参考文献66-69
• 致谢69

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1 景杰;基于数值模拟的HVPE反应器设计与优化[D];南京邮电大学;2016年

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本文编号：955045