氢化物气相外延生长GaN的数值模拟

论文摘要

本文采用有限元分析软件,根据数值模拟原理,对生长GaN用的氢化物气相外延（HVPE）反应室进行了模拟。网格划分采取非结构网格与适应性网格相结合的方式。对衬底高度的改变（即改变源气体出气口到衬底之间的距离）是否影响GaCl和NH3的浓度分布进行了二维与三维的模拟计算,通过对GaCl和NH3摩尔浓度矢量图和XY Plot图的分析,发现衬底高度的改变对GaCl和NH3在衬底表面的分布都有一定的影响,认为衬底高度的改变使得气体输运到衬底表面的距离发生了改变,随着距离的增大,气体向四周扩散或形成涡流。距离控制在10-20mm之间有利于GaCl和NH3在衬底上方的浓度分布。对主载气N2的入口流速是否影响源气体的浓度分布进行了二维与三维的模拟计算,在二维计算中流速的改变对GaCl和NH3在衬底上方的浓度影响不大;在三维模拟中由于NH3管道的位置,发现N2与NH3之间相互影响较大,且认为这和管道的布局有关,在原来的基础上又增加了两个N2管道和一个NH3管道,这样均匀性得到了明显改善。三维模拟中能够实现衬底的旋转,就衬底转速的改变造成的影响进行了模拟计算,发现衬底转速对GaCl和NH3的分布影响不是很大,有利于NH3在衬底上方的均匀扩散,建议采取小转速。利用模拟软件大大节省了实验成本,为制备高质量GaN的最佳生长工艺提供了理论依据,对实际生长有一定的指导作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1-1 GaN材料的性质及应用
• 1-1-1 GaN的相态与结构
• 1-1-2 GaN的化学性质
• 1-1-3 GaN的电学性质
• 1-1-4 GaN的光学性质
• 1-1-5 GaN材料的应用前景
• §1-2 外延GaN薄膜的生长技术及衬底材料
• 1-2-1 金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术
• 1-2-2 分子束外延（MBE）技术
• 1-2-3 卤化物气相外延（HVPE）技术
• 1-2-4 衬底材料
• §1-3 HVPE生长GaN的研究进展
• §1-4 本文主要研究内容
• 第二章 流体力学基本知识和计算流体力学相关理论
• §2-1 流体力学基本知识
• 2-1-1 流体基本物理性质
• 2-1-2 描述流体运动的方法
• 2-1-3 流体力学中的几种基本方程
• §2-2 计算流体力学相关理论
• 2-2-1 计算流体力学概念
• 2-2-2 常用的数值方法介绍
• 2-2-3 模拟的主要步骤
• 第三章 HVPE系统反应室的二维模拟计算
• §3-1 HVPE系统二维模型的建立
• §3-2 边界条件
• §3-3 衬底高度的改变对气流浓度场的影响
• 3-3-1 计算模型
• 3-3-2 结果与分析
• 2的流量对气流浓度场的影响'>§3-4 主载气N₂的流量对气流浓度场的影响
• 3-4-1 计算模型
• 3-4-2 结果与分析
• §3-5 小结
• 第四章 HVPE系统反应室的三维模拟计算
• §4-1 HVPE系统三维模型的建立
• §4-2 边界条件
• §4-3 衬底高度的改变对气流浓度场的影响
• 4-3-1 计算模型
• 4-3-2 结果与分析
• 2的流量对气流浓度场的影响'>§4-4 主载气N₂的流量对气流浓度场的影响
• 4-4-1 计算模型
• 4-4-2 结果与分析
• §4-5 衬底转速的改变对气流浓度场的影响
• 4-5-1 计算模型
• 4-5-2 结果与分析
• §4-6 小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果