MOCVD系统流场分析与反应室结构设计研究

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1、博士学位论文＿Ｉ泰ＭＯＣＶＤ系统流场分析与反应室结构设计研究，作者姓名冯兰胜Ｚｌ指导教师姓名、职称贾建援教授学科门类学校代码10701学号09072310267分类号TP273密级公开西安电子科技大学博士学位论文MOCVD系统流场分析与反应室结构设计研究作者姓名：冯兰胜一级学科：机械工程二级学科：机械电子工程学位类别：工学博士指导教师姓名、职称：贾建援教授学院：机电工程学院提交日期：2017.4ResearchonTransportPhenomenaandReactorDesigninMOCVDSystemADissertationPresentedtoXi

2、dianUniversityinCandidacyfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinElectro-MechanicalEngineeringByFengLanshengSupervisor:JiaJianYuanProfessorXi’anP.R.ChinaApril2017西安电子科技大学学位论文独创性（或创新性）声明秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研宄工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研宄成果；也不包含

3、为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料一。与我同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文若有不实之处一，本人承担切法律责任。Ｔ本人签名：日期：嫌ｆ：西安电子科技大学关于论文使用授权的说明ｇ：本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，卩研宂生在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许，允许查阅、借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内容采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，结合学位论文研究成果完成的论文

4、、发明专利等成果，署名单位为西安电子科技大学。保密的学位论文在解密后适用本授权书。＿年：ｆ也ｆｌ本人签名：导师签名货１＇日：日期：期Ｉ丨摘要摘要氮化镓(GaN)基半导体材料是一类最为重要的宽禁带半导体材料。MOCVD（MetalOrganicChemicalVaporDeposition）设备是制备GaN基半导体材料的主要途径。MOCVD设备具有生长材料质量高、稳定性好、重复性好和易于实现规模化等特点，是其它的半导体材料生长设备无法替代的。MOCVD系统由很多部分组成，其中反应室是MOCVD设备的核心部件，直接关系到其所生长薄膜的质量。利用计算机对反应室结构及其中

5、的材料生长动力学过程进行建模仿真，是对反应室进行研究以及生长高质量材料的有效方法。本文首先介绍了国内外主要的MOCVD系统发展现状、组成结构和实现原理，而后在此基础上给出了西电MOCVD-120系统的研制过程，并用于实际GaN基材料的生长。对其中涉及的气体输运与控制关键技术、反应室结构、生长温度控制系统、反应室压力控制系统、系统整体自动化控制系统等关键组成部分的实现过程做了重点研究。为了使用计算机对该MOCVD系统生长GaN基材料的过程进行模拟，本文建立了一种用于模拟GaN外延生长的反应室结构模型和GaN生长化学反应模型。反应室结构模型与实际的反应室结构几何尺寸和结构完全对应。化学反应

6、模型包括气相化学反应过程和表面化学反应过程。这两个化学反应过程分别对应气体输运阶段所发生的化学反应和衬底表面材料生长过程中所涉及的化学反应。气相化学反应过程又分为加合反应和热解反应两种不同的反应路径。表面反应过程包括生成GaN的化学反应以及氢气的刻蚀反应过程。根据反应室结构模型和GaN化学反应模型，在Fluent软件中结合CVDsim化学反应模块对GaN生长过程进行模拟，并对模拟结果从反应室内的流场分布和GaN化学反应过程两方面进行分析。首先模拟了不同参数下的GaN生长过程，模拟结果表明：随着源反应物进入反应室的入口流速升高，GaN的生长速率先升高而后降低，材料厚度均匀性随着流速的升高

7、逐渐变差，气相传输中的化学反应随着入口流速的升高逐渐变强；随着反应室压力升高，GaN生长速率先升高而后会降低，气相加合反应随着压力的升高逐渐增强；源反应物进入反应室时的温度较低或者温度较高时，在内部均容易出现涡流；随着生长温度的升高，气相反应中的加合反应减弱，热解反应增强，热解反应在高于600℃时增幅明显。GaN的生长速率随着生长温度的升高而升高。氢气的刻蚀作用在高于800℃开始出现，其结果会导致生长速率变慢，在模拟的温度范围内，800℃至10