環(huán)形分隔進(jìn)口HVDE反應(yīng)器的數(shù)值模擬及優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、氮化鎵(GaN)外延生長(zhǎng)是LED等光電產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)，高質(zhì)量的GaN薄膜要求使用自支撐襯底進(jìn)行外延。氫化物氣相外延（HydrideVaporPhaseEpitaxy，簡(jiǎn)稱HVPE）由于生長(zhǎng)速率快，是制備GaN自支撐襯底最有效的方法。然而，HVPE的商業(yè)化應(yīng)用仍受到許多技術(shù)問(wèn)題的限制，如生長(zhǎng)過(guò)程中存在較強(qiáng)的寄生反應(yīng)、沉積均勻性低等。為減少寄生反應(yīng)，源氣體GaCl及NH3需通過(guò)分隔進(jìn)口進(jìn)入反應(yīng)腔。具有同心環(huán)形分隔進(jìn)口的反應(yīng)器，可有效隔離兩種反應(yīng)

2、氣體，減少寄生反應(yīng)的發(fā)生。但是若隔離效應(yīng)過(guò)強(qiáng)，反應(yīng)氣體在襯底處難以均勻混合，又降低了沉積均勻性。
　　 本文利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件FLUENT，對(duì)環(huán)形分隔進(jìn)口HVPE反應(yīng)器生長(zhǎng)GaN的過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，重點(diǎn)討論了反應(yīng)器環(huán)形進(jìn)口數(shù)、襯底轉(zhuǎn)速、壓力、反應(yīng)室高度及源氣體進(jìn)口位置等對(duì)GaN生長(zhǎng)的影響，從而對(duì)反應(yīng)器設(shè)計(jì)及過(guò)程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。具體研究?jī)?nèi)容如下:
　　 1.系統(tǒng)介紹了GaN-HVPE生長(zhǎng)的熱力學(xué)、動(dòng)力學(xué)理論以

3、及反應(yīng)室內(nèi)的物質(zhì)輸運(yùn)過(guò)程及GaN生長(zhǎng)過(guò)程。通過(guò)總結(jié)前人的研究工作，建立了GaN-HVPE的輸運(yùn)模型和輸運(yùn)-生長(zhǎng)模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)環(huán)形分隔進(jìn)口HVPE反應(yīng)室進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。
　　 2.綜合流場(chǎng)、溫場(chǎng)、濃度場(chǎng)、生長(zhǎng)速率等模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4環(huán)、8環(huán)及12環(huán)分隔進(jìn)口的反應(yīng)室中，8環(huán)進(jìn)口反應(yīng)室生長(zhǎng)速率適中、沉積均勻性高，因此最有利于GaN-HVPE的生長(zhǎng)。
　　 3.進(jìn)一步對(duì)8環(huán)進(jìn)口反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)及過(guò)程參數(shù)進(jìn)行模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn):

4、(1)增大襯底轉(zhuǎn)速有助于薄膜生長(zhǎng)速率及均勻性的提高;(2)GaN生長(zhǎng)速率隨著壓強(qiáng)的下降而降低，并且襯底中心處生長(zhǎng)速率降低的程度高于襯底邊緣處;(3)反應(yīng)室高度變化時(shí)，襯底表面生長(zhǎng)速率的變化存在一分界線（該分界線位于第五環(huán)GaCl進(jìn)口的正下方，即半徑45mm處），在分界線內(nèi)的襯底處生長(zhǎng)速率隨著反應(yīng)室高度的上升而下降，而在分界線以外的部分，生長(zhǎng)速率隨高度的上升而增大，并且襯底表面的GaN生長(zhǎng)速率最高點(diǎn)隨著反應(yīng)室高度的增大而朝襯底中心方向移動(dòng)