MOCVD生長GaN的仿真模擬與應(yīng)力分析.pdf

1、作為第三代半導(dǎo)體材料的代表，GaN(氮化鎵)禁帶寬度大（3.4eV），熱導(dǎo)率高（1.3W/cm-K），所以工作溫度高，擊穿電壓高，抗輻射能力強，被普遍應(yīng)用在發(fā)光二極管，即LED(light-emitting diode)。白光大功率LED主要是通過GaN基藍光LED激發(fā)黃色熒光粉來實現(xiàn)。研究發(fā)現(xiàn)，GaN的均勻性對LED的出光率、可靠性、耐久性等產(chǎn)生重要的影響。金屬有機物化學(xué)氣相沉淀，即MOCVD（Metal-organic Chemic

2、al Vapor Deposition），已成為制備GaN晶片最常用的方法。盡管MOCVD技術(shù)已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，但外延生長機制復(fù)雜，其基礎(chǔ)研究依然是熱點內(nèi)容。
　　GaN外延生長影響參數(shù)較多，而溫度場直接影響GaN生長的均勻性，因此，模擬和優(yōu)化MOCVD反應(yīng)室溫度場的分布是MOCVD設(shè)備研制的關(guān)鍵內(nèi)容之一。本文針對工業(yè)MOCVD展開研究，采用三維模型對MOCVD內(nèi)的溫度場與流場進行了耦合模擬，探究了反應(yīng)器工藝參數(shù)和幾何結(jié)構(gòu)對溫度均勻性的

3、影響。主要考察了如下幾種對均勻性影響較大的因素：入口流速，基座旋轉(zhuǎn)速度，加熱器功率，加熱器與石墨基座距離、隔熱板與石墨基座距離等。為了簡化溫度場評價的指標，溫度均勻性的參考標準為溫度的標準差，熱效率的參考標準為耗散能量比值。結(jié)果表明，減小入口流速和基座旋轉(zhuǎn)速度，增加隔熱板與石墨基座距離，能有效提高溫度均勻性。而且減小上述三種參數(shù)，有效提升了熱效率。增加隔熱板與石墨基座距離可以提高溫度均勻性但會降低熱效率。GaN薄膜三區(qū)的溫度分布受工藝參

4、數(shù)的影響不同，其中邊緣區(qū)域溫度均勻性和熱效率最差。這些結(jié)論有助于外延工程師在綜合考慮溫度均勻性和熱效率的基礎(chǔ)上來優(yōu)化反應(yīng)器系統(tǒng)設(shè)計和過程參數(shù)。
　　因為襯底和薄膜熱膨脹系數(shù)不同，所以晶體制備的異質(zhì)外延會發(fā)生熱失配。本文針對GaN薄膜制備過程中的熱應(yīng)力問題，采用有限元分析方法重點研究了晶體由沉積溫度冷卻到室溫過程中產(chǎn)生的熱失配。主要探討了薄膜厚度、緩沖層厚度、沉積溫度等參數(shù)和襯底材料、緩沖層材料與薄膜熱應(yīng)力的關(guān)系，結(jié)論如下：插入緩沖