基于数值模拟的HVPE反应器设计与优化-电子与通信工程专业论文.docx

万方数据 万方数据 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究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的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志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。 本人学位论文及涉及相关资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。 研究生签名： 日期： 南京邮电大学学位论文使用授权声明 本人授权南京邮电大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文 档；允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索； 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编本学位论文。本文电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院办理。 涉密学位论文在解密后适用本授权书。 研究生签名： 导师签名： 日期： 摘要 氮化镓（GaN）材料因其优良的特性以及巨大的应用市场，近二十年来始终为国内外研 究者广泛关注。对 GaN 基光电器件质量和效率日益提高的需求，促使 GaN 衬底材料的研究 逐渐成为热点，氢化物气相外延（HVPE）方法是目前公认最为可行的 GaN 衬底制备技术。 为了获得高质量的 GaN 单晶，论文基于计算流体力学，采用有限元分析法，对自制的立式大 尺寸 HVPE 系统反应腔进行了二维和三维模型的数值模拟。 在 HVPE 系统中，GaCl、NH3 在进气管口的提前反应对反应腔的污染和损害是一大难题， 本文所仿真的立式系统创新地通过在 GaCl、NH3 之间添加分隔气解决了这一问题。二维、三 维模型的仿真结果显示，分隔气流量大小对 GaCl、NH3 在衬底上的浓度分布都有一定的影响， 分析得到最佳分隔气流量为 500sccm。 通过改变源气体 V/III 比，论文分析了 GaN 生长分布的变化趋势。随着 V/III 比增大，二 维模型中 GaN 生长相对均匀性先变好然后变差；三维模型中，GaN 生长相对均匀性虽然越来 越好，但由于很高的 V/III 比对于 GaN 膜的晶体质量有不利影响。我们仍可得到综合各种因 素的最佳 V/III 比为 70。 论文还在三维模拟中研究了分隔气出气口从竖直改为向内倾斜对 GaN 生长的影响，发现 该倾角增大时 GaN 的均匀性有改善，但角度很大时 GaN 生长速率急剧下降，在实验中建议 采取小角度。此外针对主载气流量，本文也进行了二维仿真，得到了 9500sccm 的优化参数。 本文在进行各主要工艺参数优化后获得的 4 英寸衬底面内相对均匀性小于 6%。以上数 值仿真结果为大尺寸 HVPE 反应腔腔体、工艺条件的优化提供了理论基础，对实际生产高质 量大尺寸 GaN 有一定的指导意义。 关键词: 氮化镓衬底，数值模拟，氢化物气相外延 I Abstract Many domestic and foreign researchers pay much attention to GaN due to its excellent features and huge application market.With the increasment of demand of GaN,the study of GaN substrate has become a hot topic while HVPE is most viable. Based on computational fluid dynamics,the hydride vapor phase epitaxy of GaN in a vertical flow reactor was studied in this paper by finite element method . Because GaN in the intake pipe outlet will damage the reaction chamber ,the separator gas is used to separate GaCl and NH3 in this paper. The distributions of GaCl and NH3 on the substrate are affected by the flow of separator gas in two-dimension simulation and three-dimension simulation. It is best for the growth of GaN when the flow of sepa