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

【摘要】：近年來,隨著半導(dǎo)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(dǎo)率,廣泛應(yīng)用于高功率光電子器件,如場效應(yīng)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(jī)物化學(xué)氣相沉積(MOCVD)設(shè)備是制備包含應(yīng)用于藍(lán)光LED芯片制造的GaN材料的Ⅲ氮化物最重要和流行的設(shè)備。但由于在腔體設(shè)計部分缺乏系統(tǒng)的理論和實(shí)驗(yàn)支撐,目前中國的生產(chǎn)型MOCVD設(shè)備幾乎被國外壟斷,嚴(yán)重制約了我國半導(dǎo)體制造業(yè)的發(fā)展,國產(chǎn)MOCVD設(shè)備的研究和產(chǎn)業(yè)化日益受到學(xué)術(shù)和產(chǎn)業(yè)界的關(guān)注。本文著眼生產(chǎn)型MOCVD設(shè)備的國產(chǎn)化,就自主設(shè)計的緩沖分布式(BDS) MOCVD反應(yīng)腔體設(shè)計中的諸多問題展開深入的研究。首先,本文提出并設(shè)計了一種新型的BDS反應(yīng)腔體結(jié)構(gòu),實(shí)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(yīng)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(yīng)腔體的可擴(kuò)展性,同時通過中心與噴淋氣流的調(diào)節(jié),增強(qiáng)工藝的靈活性。然后,通過融合流體流動、傳熱、傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的多物理場耦合的MOCVD反應(yīng)腔體的動力學(xué)的模型研究,建立了MOCVD反應(yīng)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(jìn)行了GaN生長模擬,并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,驗(yàn)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(shí)際情況。然后,通過對比模擬分析證實(shí)了BDS反應(yīng)腔體設(shè)計的可行性。另外,通過模擬和結(jié)合部分實(shí)驗(yàn)分析了BDS反應(yīng)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(jī)理。最后,通過模擬分析了BDS反應(yīng)腔體的擴(kuò)展性,結(jié)果表明BDS結(jié)構(gòu)具有良好的擴(kuò)展性,可以進(jìn)行進(jìn)一步升級和擴(kuò)大的需求,能滿足目前對MOCVD設(shè)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(jìn)行總結(jié),并對不均勻性的影響規(guī)律進(jìn)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(dǎo)依據(jù)。最后,在搭建的MOCVD實(shí)驗(yàn)設(shè)備平臺上開展了LED全結(jié)構(gòu)生長實(shí)驗(yàn),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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shè)計較為合理,尤其在多量子阱結(jié)構(gòu)生長方面有獨(dú)特的優(yōu)勢,具有良好的應(yīng)用前景和研究價值；另外實(shí)驗(yàn)中載片盤半徑不同位置之間的不均性,也說明BDS腔體在進(jìn)氣方式,如中心區(qū)域的氣體混合方式還需要進(jìn)一步改進(jìn),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