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| 氮化镓(GaN)及其合金材料由于具有宽直接带隙、高载流子迁移率、高击穿电压、化学性质稳定等特点,在半导体发光二极管、激光二极管、光电探测器、高频高功率微波器件等方面具有非常广阔的应用前景。目前,由于缺少原生GaN同质衬底,绝大部分的GaN基器件均生长在异质衬底上,如蓝宝石、碳化硅和硅等。然而,由于GaN与异质衬底之间存在较大的晶格失配和热失配,会在GaN外延层中产生高密度的失配位错而降低器件的性能与寿命。解决这一问题最有效的方法就是在GaN同质衬底上进行外延生长。氢化物气相外延(Hydride Vapor Phase Epitaxy, HVPE)方法因为具有设备结构相对简单、成本低、生长速率快(几十～几百微米/小时)等优点,而被认为是可生长GaN体单晶的最有前景的方法。本论文采用HVPE方法成功生长了高质量GaN单晶,具体研究内容如下：1.使用计算流体力学软件Fluent对HVPE反应室的气流分布进行了模拟计算,主要研究了不同Ⅴ/Ⅲ、不同源气体流量对HVPE反应室气流场浓度分布的影响。通过模拟计算,得到了源气体分布均匀性最好的Ⅴ/Ⅲ；在此Ⅴ/Ⅲ条件下,进一步模拟计算,得到了有利于高速、均匀生长GaN单晶的条件。根据模拟计算结果,对生长工艺做了相应的调整,缩短了实验周期,得到了高质量的GaN单晶。2.在以蓝宝石为衬底成功生长GaN单晶的基础上,系统地分析了GaN中存在的应力,建立了可计算GaN单晶内部应力的理论模型,并由此理论模型得出了可释放GaN单晶内部失配应力、提高GaN单晶质量的方法,设计并制作了减薄-键合衬底。通过调节生长参数,在新型衬底上生长出高质量的GaN单晶,经HRXRD、Raman、PL等表征证明,GaN单晶的失配应力大大降低,晶体质量得到了明显地提高。3.利用混合碱腐蚀方法对不同Ⅴ/Ⅲ生长的GaN单晶的位错进行了研究,并利用正电子湮灭技术对其本征空位缺陷进行了研究。研究结果表明,生长时所用的Ⅴ/Ⅲ对GaN单晶的穿透位错和本征空位缺陷浓度有着重要影响,而且这两种缺陷之间存在着一定程度的关联。综上所述,本论文对HVPE反应室气流分布、GaN单晶的应力、位错及缺陷进行了系统的研究,获得了一些重要成果。 |
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流体力学
