【摘 要】
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由于带隙宽、热导率高、电子饱和率高、击穿电场高等优点,三族氮化物在发光二极管、紫外探测器、激光雷达、大功率电子器件等领域有着广阔的应用。目前三族氮化物薄膜生长主要采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术,其具有易于控制、外延层面积大、生长均匀、可以进行大规模生产等优势。其中,MOCVD反应腔性能对生长高质量三族氮化物薄膜至关重要。为提高MOCVD性能,本文通过计算流体力学(CFD)对垂直流MO
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由于带隙宽、热导率高、电子饱和率高、击穿电场高等优点,三族氮化物在发光二极管、紫外探测器、激光雷达、大功率电子器件等领域有着广阔的应用。目前三族氮化物薄膜生长主要采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)技术,其具有易于控制、外延层面积大、生长均匀、可以进行大规模生产等优势。其中,MOCVD反应腔性能对生长高质量三族氮化物薄膜至关重要。为提高MOCVD性能,本文通过计算流体力学(CFD)对垂直流MOCVD反应腔进行了研究。首先根据自主设计的BDS-MOCVD反应腔,建立包含流体流动、传热、传质和化学反应的GaN沉积数值模型;通过正交试验研究了喷淋孔半径、喷淋孔间距、旋转速度和腔体高度对MOCVD外延GaN性能的影响。极差分析结果表明,影响生长速率的因素顺序:腔体高度>旋转速度>喷淋孔间距>喷淋孔半径;影响生长均匀性的因素顺序:腔体高度>喷淋孔半径>旋转速度>喷淋孔间距。方差分析结果表明,腔体高度对生长速率、生长均匀性的影响程度分别达到了36.267%和74.910%。在喷淋孔半径3 mm、喷淋孔间距18 mm、旋转速度100 rpm、腔体高度50 mm的优化参数下,GaN生长不均匀度仅为0.035,生长速率为1.64 um/h。其次研究了流量和旋转速度对低腔体模式MOCVD反应腔的影响。当流量从60slm增大到360 slm,流动稳定性变差,源利用率从20.75‰降低到3.94‰,生长不均匀度从0.0462增大到0.153;综合考虑流动稳定性、源利用率和生长均匀性,120 slm是最佳流量。当旋转速度从50rpm增大到1050rpm,生长速率变大,周向均匀性变好,加剧的“泵效应”使径向均匀性变差;当旋转速度为300 rpm时,整块衬底取得最小的生长不均匀度0.0346。最后研究了V/III和旋转速度对高腔体模式MOCVD反应腔的影响。当V/III值从10增大到175,三五族入口间的密度差异变大导致流体流动的不稳定性加剧,GaN的生长不均匀度增大,生长速率从1.450 um/h增大到了2.233 um/h;当V/III=92.5和V/III=175时,整块衬底在550 rpm取得最低的生长不均匀度,分别为0.0513和0.0681;当V/III=10时,镓源的热解路径主导GaN沉积,当V/III=175时,氨基络合物的热解主导GaN沉积。腔体高度和旋转速度对顶板涂层效应的影响也被研究。
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