辐射加热GaN-MOCVD反应室温度场仿真与设计

摘要

金属有机化学气相沉积技术(Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)是制备化合物半导体材料和器件的关键技术，特别是在GaN基的光电和微波大功率器件方面。反应室作为MOCVD设备的核心部件，其温度场的均匀性直接影响到生长材料的质量。在成本有限的条件下，利用计算机进行MOCVD反应室模型的仿真和设计对实际设备的设计和改进将提供很大的帮助。本文利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics对辐射方式的MOCVD模型的温度场分布进行了模拟和分析。主要研究成果如下：
　　 ⑴建立了辐射方式的MOCVD反应室二维轴对称模型，通过分析比较电阻片加热和电阻丝加热两种辐射加热方式，发现电阻片加热方式加热效率优于电阻丝。在条件允许的情况下，加热器应适当延伸在石墨盘外
　　 ⑵提出了一种确定多片式加热器位置的方法。经仿真表明，多片式加热器处于外圈的加热器单位体积加热功率应比内圈加热器大。
　　 ⑶提出了加热器调节曲线的概念，以及其近似的表征方法。从加热功率、加热器位置关系和加热器宽度大小三方面研究了加热器调节曲线峰值的变化情况，并给出了相应解释。研究表明：在条件允许的情况下，外圈加热器设计时宽度宜小；调节点与加热器位置设置在不同区域情况不同。
　　 ⑷对四英寸外延片在石墨盘有SiC涂层和无SiC涂层情况下的加热速率以及在石墨盘有烤盘和无烤盘条件下的表面温度均匀性进行了研究。研究表明，在设计石墨盘材料时，在外延片凹槽附近覆盖与所长材料相似的物质有利于提高外延生长的均匀性；在其他区域覆盖发射率高的涂层，有利于提高石墨盘热交换效率，达到快速升温降温的目的。
　　 ⑸基于八英寸的石墨盘普通凸缘结构，在考虑形变条件下，提出了改进型的凸缘结构。结合实际，确定其凹槽深度应在2mm以下。此改进型结构使得八英寸外延片在理想状态下0.5K以内，且设计灵活，可以通过增加或减少凸缘的点(线)来增加或减少边缘的热补偿。改进型Rim结构对加热温度也具有稳定性。