氮化镓外延生长表层温度在线监测方法研究及实现

摘要

氮化镓是III/V族直接带隙半导体晶体，其在蓝光和紫光发射器件的研发领域起到了极大的促进作用。其在光电子、高频微波器件和功率电子器件应用方面前景十分美好。金属有机化合物气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)方法是最新一代化合物半导体器件制造的技术，MOCVD设备因其外延半导体器件的优良的品质和量产能力在工业上得到广泛的应用。由于近红外波长可透过氮化镓材料，故MOCVD设备外延生长氮化镓材料时，常用的红外测温仪只能测量外延片底部 Pocket温度。但在外延生长量子阱对温度特别敏感，因此如何精确测量外延片表面温度有着重要的研究意义。本文对氮化镓外延生长表层温度在线监测方法做了详细的研究并设计测量仪器实现，主要研究内容如下：
　　(1)分析了各种温度测量方法，根据氮化镓的材料特性选择采用测量近紫外波段热辐射强度方法进行氮化镓表层温度测量。研究微弱信号的测量方法以及根据信号与噪声的特点，寻找去除背景噪声的方法。
　　(2)根据MOCVD设备结构特点，设计了氮化镓外延生长表层温度在线监测系统。通过垂直入射式探头光学和机械结构设计为其它在线监测设备安装节约了空间。同时通过抗振动与光路探头的大视场设计使得探头角度倾斜1°范围内，反射信号强度变化在2％以内。
　　(3)在电路中实现了光电倍增管放大倍数控制与LED光源恒功率控制，光电倍增益管同时实现热辐射与反射率的测量。通过软件系统设计了针对不同温度条件下采用与当前温度对应条件下的光电倍增管信号放大倍数与LED光源的功率切换，使LED光源的反射光信号与当前温度下的热辐射信号强度处于相等数量级并有较强的输出信号。
　　(4)对温度测量方法理论设计出的温度监测系统进行实验验证以及现场测试。通过实验结果分析，得到该温度监测系统温度测量范围在750~1200℃，重复性在1℃以内；低温段(750~870℃)范围内温度测量不确定度为3℃；高温段(870~1200℃)内温度测量精度在1℃以内时温度测量不确定度为0.5℃。其中1000℃以上时温度测量不确定度低于0.2℃。
　　本文设计的氮化镓外延生长表层温度监测系统实现了氮化镓表层温度的测量，并用于中微半导体自主研发的PrismoD-Blue?485 MOCVD机台测试验证。

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第一章 绪 论

1.1 氮化镓外延生长表层温度在线监测研究的目的和意义

1.2 温度在线监测仪的国内外研究现状

1.3 本文研究的内容和论文安排

第二章 氮化镓外延生长表层温度监测方案设计

2.1 测温系统设计要求及工作环境概述

2.2 辐射测温原理

2.3 温度测量实施方案

2.4 本章小结

第三章 氮化镓外延生长表层温度监测系统设计

3.1 系统光路及机械结构设计

3.2 系统电路设计

3.3 辅助测试系统设计

3.4 硬件系统调试

3.5 光学系统调试

3.6 软件调试

3.7 本章小结

第四章 氮化镓外延生长表层温度监测系统参数标定

4.1 热辐射强度测量

4.2 温度监测仪反射率测量

4.3 温度监测仪热辐射检测范围

4.4 探头角度灵敏度测试

4.5 本章小结

第五章 数据分析与系统改进

5.1 氮化镓外延生长表层反射率测量曲线分析

5.2 氮化镓外延生长表层温度测量曲线分析

5.3 外延工艺对温度测量影响

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间取得的科研成果