一種新型MOCVD反應(yīng)腔體多物理耦合分析與實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、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(jì)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)

2、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(jì)的緩沖分布式（BDS）MOCVD反應(yīng)腔體設(shè)計(jì)中的諸多問題展開深入的研究。
　　首先，本文提出并設(shè)計(jì)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

3、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(shí)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)

4、了BDS反應(yīng)腔體設(shè)計(jì)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)

5、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(jì)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