環(huán)形分隔進口HVDE反應器的數值模擬及優(yōu)化設計.pdf

1、氮化鎵(GaN)外延生長是LED等光電產業(yè)的基礎，高質量的GaN薄膜要求使用自支撐襯底進行外延。氫化物氣相外延（HydrideVaporPhaseEpitaxy，簡稱HVPE）由于生長速率快，是制備GaN自支撐襯底最有效的方法。然而，HVPE的商業(yè)化應用仍受到許多技術問題的限制，如生長過程中存在較強的寄生反應、沉積均勻性低等。為減少寄生反應，源氣體GaCl及NH3需通過分隔進口進入反應腔。具有同心環(huán)形分隔進口的反應器，可有效隔離兩種反應

2、氣體，減少寄生反應的發(fā)生。但是若隔離效應過強，反應氣體在襯底處難以均勻混合，又降低了沉積均勻性。
　　 本文利用計算流體力學(CFD)軟件FLUENT，對環(huán)形分隔進口HVPE反應器生長GaN的過程進行數值模擬研究，重點討論了反應器環(huán)形進口數、襯底轉速、壓力、反應室高度及源氣體進口位置等對GaN生長的影響，從而對反應器設計及過程參數進行優(yōu)化。具體研究內容如下:
　　 1.系統介紹了GaN-HVPE生長的熱力學、動力學理論以

3、及反應室內的物質輸運過程及GaN生長過程。通過總結前人的研究工作，建立了GaN-HVPE的輸運模型和輸運-生長模型，在此基礎上對環(huán)形分隔進口HVPE反應室進行了數值模擬分析。
　　 2.綜合流場、溫場、濃度場、生長速率等模擬結果發(fā)現，4環(huán)、8環(huán)及12環(huán)分隔進口的反應室中，8環(huán)進口反應室生長速率適中、沉積均勻性高，因此最有利于GaN-HVPE的生長。
　　 3.進一步對8環(huán)進口反應室的結構及過程參數進行模擬分析，結果發(fā)現:

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