氢化物气相外延生长gan厚膜的计算优化与实验研究

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1、硕士学位论文氢化物气相外延生长GaN厚膜的计算优化与实验研究CALCULATIONOPTIMIZATIONANDEXPERIMENTALSTUDYONHYDRIDEVAPORPHASEEPITAXIALGROWTHOFTHICKGALLIUMNITRIDEFILMS田吉利哈尔滨工业大学2012年12月国内图书分类号：TN304.2学校代码：10213国际图书分类号：661.6密级：公开工学硕士学位论文氢化物气相外延生长GaN厚膜的计算优化与实验研究硕士研究生：田吉利导师：张化宇申请学位：工学硕士学科：材料学所在单位

2、：深圳研究生院答辩日期：2012年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TN304.2U.D.C:661.6DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringCALCULATIONOPTIMIZATIONANDEXPERIMENTALSTUDYONHYDRIDEVAPORPHASEEPITAXIALGROWTHOFTHICKGALLIUMNITRIDEFILMSCandidate：TianJiliSupervisor：Prof.ZhangHuayuAc

3、ademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsScienceAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2012Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要GaN是宽禁带半导体，有着十分广泛的应用。但由于大尺寸的GaN体单晶材料很难制备，所以GaN基器件主要是通过异质

4、外延方法制作。近年来由于氢化物气相外延（HVPE）方法的生长速度快，可以生长均匀、大尺寸GaN厚膜，逐渐成为人们研究的热点。数值计算在改进生长系统，优化生长工艺方面有很大的优势，其与长晶实验互相配合，有望寻求生长高质量GaN的优化工艺。本文运用基于有限元法的HEpiGaNS软件，先是研究了气体进气口到衬底之间的距离、GaCl载气流量和主载气N2流量对晶体生长的影响规律，主要通过分析反应气体GaCl和NH3在衬底附近的二维浓度分布图像、一维影像，不同条件下GaN的生长速率、反应室内的流场和衬底附近的Ⅴ/Ⅲ比等来实现。

5、然后研究了GaN生长过程中的应力和位错变化，主要通过分析不同生长阶段的各种应力的变化和不同衬底高度下位错数值的改变来实现。通过数值计算得到利于高质量GaN厚膜生长工艺参数。最后长晶实验采用这些参数制备HVPE-GaN，并对生长出的外延膜通过一系列的表征手段如XRD、SEM、EDS、拉曼、PL等进行了其结构和质量的分析。研究表明，竖直式HVPE系统中，气体进气口和衬底之间距离对GaN晶体的生长有很大的影响，距离过大使得GaN生长速率过小，距离过小使得GaN生长速率变大但是生长极不均匀，说明存在一个优化的距离使得GaN

6、的沉积性最好；研究发现，这个优化距离为80mm左右。GaCl载气流量的大小可以影响到反应气体GaCl和NH3在衬底附近的浓度分布，反应气体的浓度随GaCl载气流量减小而减小，其分布的均匀度却越来越好，但是载气流量减小到一定程度会使沉积均匀性变差；研究发现，GaCl载气流量为1200~1400sccm时，GaN的沉积性比较好。N2作为反应中的主载气，气流的大小直接影响到反应气体在衬底附近的浓度分布，气流的不稳定可能造成反应室内出现涡流现象；研究发现，利于GaN晶体生长的主载气N2流量在2800sccm左右。在HVPE

7、生长系统中，晶体生长的边缘最容易出现最大热应力。随着衬底高度的不断增加，晶体内部的位错密度缓慢增加。采用数值计算优化后的工艺参数，制备出了高质量的优质GaN单晶厚膜：膜为GaN（002）单晶膜，具有六方晶系结构；厚度4μm；表面平滑，具有较高的表面质量；较小的表面压应力；（002）晶面的摇摆曲线半峰宽FWHM值为160arcsec；8-2位错密度约为7.77×10cm；强度较低的缺陷发光峰。关键词：GaN；氢化物气相外延；数值计算；工艺优化-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractGaNisawideba

8、ndgapsemiconductorwithaverywiderangeofapplications.GaNbaseddevicesaremainlyproducedbythehetero-epitaxialmethodduetolarge-sizeGaNsinglecrystalmaterialsaredifficulttoprepare.Inrecent