一种新型MOCVD反应腔体多物理耦合分析与实验研究

发布时间：2018-02-22 07:07

  本文关键词： 金属有机物化学气相沉积 反应腔体 缓冲分布式 氮化镓 外延生长　出处：《华中科技大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,随着半导体材料及制备技术的发展,Ⅲ氮化物,尤其是氮化镓(GaN)材料,凭借其宽直接带隙和高热导率,广泛应用于高功率光电子器件,如场效应晶体管(FETs)、紫外(UV)探测器、激光器(LDs)、太阳能电池、高温传感器以及发光二极管(LEDs)领域。而金属有机物化学气相沉积(MOCVD)设备是制备包含应用于蓝光LED芯片制造的GaN材料的Ⅲ氮化物最重要和流行的设备。但由于在腔体设计部分缺乏系统的理论和实验支撑,目前中国的生产型MOCVD设备几乎被国外垄断,严重制约了我国半导体制造业的发展,国产MOCVD设备的研究和产业化日益受到学术和产业界的关注。本文着眼生产型MOCVD设备的国产化,就自主设计的缓冲分布式(BDS) MOCVD反应腔体设计中的诸多问题展开深入的研究。首先,本文提出并设计了一种新型的BDS反应腔体结构,实现了流场的均匀稳定。该结构通过中心管路流入的水平辐射流与垂直喷淋流动的结合,提高了衬底表面反应源的浓度的均匀性,在保持生长速率和层流均匀性能的情况下保证了反应腔体的可扩展性,同时通过中心与喷淋气流的调节,增强工艺的灵活性。然后,通过融合流体流动、传热、传质和化学反应动力学的多物理场耦合的MOCVD反应腔体的动力学的模型研究,建立了MOCVD反应腔体GaN外延生长的多物理耦合模型。利用建立的多物理场耦合模型对腔体进行了GaN生长模拟,并进行了实验验证,验证结果表明本文所建立的模型能够正确反映腔体内GaN外延生长速率的实际情况。然后,通过对比模拟分析证实了BDS反应腔体设计的可行性。另外,通过模拟和结合部分实验分析了BDS反应腔体中流量、工艺压力和载片盘转速对GaN生长速率和均匀性的影响,并结合腔体内的多物理耦合情况分析了这些工艺参数的影响机理。最后,通过模拟分析了BDS反应腔体的扩展性,结果表明BDS结构具有良好的扩展性,可以进行进一步升级和扩大的需求,能满足目前对MOCVD设备尺寸和产能的需求。文中首次针对模拟MOCVD生长GaN的不均匀性进行总结,并对不均匀性的影响规律进行了分析和解释,对探索最优外延工艺参数提供了指导依据。最后,在搭建的MOCVD实验设备平台上开展了LED全结构生长实验,并通过二次离子质谱仪(SIMS)、X射线衍射仪(XRD)、透射电子显微镜(TEM)以及荧光光谱仪(PL)对LED结构进行了组分、物相、形貌特征以及PL膜厚和发光波长的分析。实验取得较好的结果,LED外延和结构质量、均匀性等非常好,说明BDS腔体设计较为合理,尤其在多量子阱结构生长方面有独特的优势,具有良好的应用前景和研究价值；另外实验中载片盘半径不同位置之间的不均性,也说明BDS腔体在进气方式,如中心区域的气体混合方式还需要进一步改进,如减少流道或优化气流方向,使气体尽量在小的半径范围内混合均匀。
[Abstract]:In recent years, with the development of semiconductor materials and preparation technology, 鈪，

本文编号：1523828