【摘 要】
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氮化镓（GaN）材料在最近20多年的半导体应用领域大放异彩,与碳化硅（Si C）一并,跻身当今世界第三代宽禁带半导体器件研发的前沿和热点。在传统LED照明、蓝绿光LD的基础上,GaN技术实现形态在科技与产能双驱动下不仅朝Mini/Micro LED显示方向进化,而且在功率、射频器件方面,其大功率、高频、高效表现,也在智能电网、5G通讯、新能源汽车、消费级电源等领域熠熠生辉。GaN基器件的迅猛发展,
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氮化镓（GaN）材料在最近20多年的半导体应用领域大放异彩,与碳化硅（Si C）一并,跻身当今世界第三代宽禁带半导体器件研发的前沿和热点。在传统LED照明、蓝绿光LD的基础上,GaN技术实现形态在科技与产能双驱动下不仅朝Mini/Micro LED显示方向进化,而且在功率、射频器件方面,其大功率、高频、高效表现,也在智能电网、5G通讯、新能源汽车、消费级电源等领域熠熠生辉。GaN基器件的迅猛发展,对GaN衬底的质量提出更高的要求。同质外延生长可以避免由于晶格失配和热失配引起的缺陷,氢化物气相外延（HVPE,Hydride Vapor Phase Epitaxy）是目前制备GaN单晶衬底的主流方法。本课题基于计算流体力学,采用有限体积分析法,对水平式HVPE反应腔生长GaN的核心结构进行二维仿真研究,并引入立式HVPE反应系统的三维仿真研究作为参照。基于此寻求生长高质量GaN单晶的最佳生长工艺。论文的主要研究工作和结果如下:探索Ga Cl进气口与衬底之间距离、衬底倾斜角度、衬底高度这三个维度的结构变化对GaN生长分布、生长速率的影响。当固定各进气口温度1123.15K,出气口温度1073.15K,衬底反应区间温度1323.15K;Ga Cl和N2混合气体总速率0.0106m/s,Ga Cl组分摩尔分数0.3;NH3和N2混合气体总速率0.0084m/s,NH3组分摩尔分数0.3;1atm时。选择Ga Cl进气口与衬底之间距离为32mm,衬底前后高差为10mm,衬底高度为29mm,GaN生长均匀性和生长速率均处于一个最佳理想状态:在平均生长速率达到107μm/h的水平上,生长相对不均匀性仅为5.93%。同时,在立式HVPE系统的三维仿真研究工作中,在保证一定的生长速度和均匀性条件下,提升衬底转速可因流场的优化而有效提高GaN膜的晶体质量。这也给HVPE腔体结构的优化方向带来了新的启示。以上仿真实验结果为实际生产过程中的GaN生长系统参数调整与优化提供了理论基础,对GaN衬底的产业化制备具有一定的指导意义。
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