本文關(guān)鍵詞： 金屬有機物化學氣相沉積 反應腔體 緩沖分布式 氮化鎵 外延生長　出處：《華中科技大學》2016年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：近年來,隨著半導體材料及制備技術(shù)的發(fā)展,Ⅲ氮化物,尤其是氮化鎵(GaN)材料,憑借其寬直接帶隙和高熱導率,廣泛應用于高功率光電子器件,如場效應晶體管(FETs)、紫外(UV)探測器、激光器(LDs)、太陽能電池、高溫傳感器以及發(fā)光二極管(LEDs)領(lǐng)域。而金屬有機物化學氣相沉積(MOCVD)設備是制備包含應用于藍光LED芯片制造的GaN材料的Ⅲ氮化物最重要和流行的設備。但由于在腔體設計部分缺乏系統(tǒng)的理論和實驗支撐,目前中國的生產(chǎn)型MOCVD設備幾乎被國外壟斷,嚴重制約了我國半導體制造業(yè)的發(fā)展,國產(chǎn)MOCVD設備的研究和產(chǎn)業(yè)化日益受到學術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。本文著眼生產(chǎn)型MOCVD設備的國產(chǎn)化,就自主設計的緩沖分布式(BDS) MOCVD反應腔體設計中的諸多問題展開深入的研究。首先,本文提出并設計了一種新型的BDS反應腔體結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了流場的均勻穩(wěn)定。該結(jié)構(gòu)通過中心管路流入的水平輻射流與垂直噴淋流動的結(jié)合,提高了襯底表面反應源的濃度的均勻性,在保持生長速率和層流均勻性能的情況下保證了反應腔體的可擴展性,同時通過中心與噴淋氣流的調(diào)節(jié),增強工藝的靈活性。然后,通過融合流體流動、傳熱、傳質(zhì)和化學反應動力學的多物理場耦合的MOCVD反應腔體的動力學的模型研究,建立了MOCVD反應腔體GaN外延生長的多物理耦合模型。利用建立的多物理場耦合模型對腔體進行了GaN生長模擬,并進行了實驗驗證,驗證結(jié)果表明本文所建立的模型能夠正確反映腔體內(nèi)GaN外延生長速率的實際情況。然后,通過對比模擬分析證實了BDS反應腔體設計的可行性。另外,通過模擬和結(jié)合部分實驗分析了BDS反應腔體中流量、工藝壓力和載片盤轉(zhuǎn)速對GaN生長速率和均勻性的影響,并結(jié)合腔體內(nèi)的多物理耦合情況分析了這些工藝參數(shù)的影響機理。最后,通過模擬分析了BDS反應腔體的擴展性,結(jié)果表明BDS結(jié)構(gòu)具有良好的擴展性,可以進行進一步升級和擴大的需求,能滿足目前對MOCVD設備尺寸和產(chǎn)能的需求。文中首次針對模擬MOCVD生長GaN的不均勻性進行總結(jié),并對不均勻性的影響規(guī)律進行了分析和解釋,對探索最優(yōu)外延工藝參數(shù)提供了指導依據(jù)。最后,在搭建的MOCVD實驗設備平臺上開展了LED全結(jié)構(gòu)生長實驗,并通過二次離子質(zhì)譜儀(SIMS)、X射線衍射儀(XRD)、透射電子顯微鏡(TEM)以及熒光光譜儀(PL)對LED結(jié)構(gòu)進行了組分、物相、形貌特征以及PL膜厚和發(fā)光波長的分析。實驗取得較好的結(jié)果,LED外延和結(jié)構(gòu)質(zhì)量、均勻性等非常好,說明BDS腔體設計較為合理,尤其在多量子阱結(jié)構(gòu)生長方面有獨特的優(yōu)勢,具有良好的應用前景和研究價值；另外實驗中載片盤半徑不同位置之間的不均性,也說明BDS腔體在進氣方式,如中心區(qū)域的氣體混合方式還需要進一步改進,如減少流道或優(yōu)化氣流方向,使氣體盡量在小的半徑范圍內(nèi)混合均勻。
[Abstract]:In recent years, with the development of semiconductor materials and preparation technology, 鈪，

本文編號：1523828