HVPE反应器内输运现象的数值模拟研究

［ 文章编号］１０ ７０ （００ ０ ０ ７ ０ ０ ７－ ４ ５ ２ １ ）５— ３８— ６
Ｈ Ｐ Ｖ Ｅ反应 器 内输 运现 象 的数 值模 拟研 究
李 晖
（ ．集美大学机械 工程学院 ，福建 厦门 ３ １２ ；２ １ ６０ １ ．江苏大学能源 与动力工程 学院 ，江苏 镇江 ２ ２ １ ） １０３
运过程与外部参数的关系进行分析和讨论 ，提出了此类反应器操作参数的优化原则．
１ 反 应 器 结构 与 数值 模 拟假 设
１ １ 反应 器结构 ．
本文 的模 拟对象为一 种具有 同心 圆喷 口的 Ｈ Ｐ Ｖ Ｅ反
应 器 ，图 １为该反应 器 的示 意 图． 该反应 器利用 三个 分
隔的进 口来分别通 人载气 和反应气 体 ，以满足 Ｈ Ｐ Ｖ Ｅ反 应器关 于分 隔进 口的要 求．其 中 ，位于靠 近反应腔 外壁
Ｇ Ｎ厚 膜最 为有效 的方法． ａ
本 文对一 种用于 制备 Ｇ Ｎ的 同心 圆 喷头 结 构 Ｈ Ｐ ａ Ｖ Ｅ反应 器 内 的输 运 现象 进 行 了数 值 模 拟研究 ． 在该反 应器 中 ，反应气体 通过 由同轴套 管组成 的 同心 圆喷头 引入反应 室并 水平 喷 向与气 流垂直 的基片 表 面． 内圆 内通 Ｇ Ｃ 和辅 Ｎ ，外 环 内通 Ｎ 。 ａ１ Ｈ ；总 载气 Ｎ 通 过平 行 于 同心 圆喷头 的圆管 进 口进入 反 ： 应 器． 同时 ，利用 计算机数 值模拟 ，通过 分别改 变反应气及 载气 的进 Ｅ流量 、重 力方 向 、工作压 强等 ｌ 操 作参数 ，得 出反 应室 内流场 、温 场 和浓度 场 的相 应变化 ．根据 模拟结果 ，对这 种 Ｈ Ｐ Ｖ Ｅ反应 器 中输
第ｌ ５卷
第 ５期
集 美大学学报 （ 自然科 学版 ）
Ｊｕ ａ ｏ ｍ ｉ ｎｖｒｔ（ ａ ｒ ｃ ｎｅ ｏｒ ｌ ｆ ｉｅ Ｕ ｉ ｓｙ Ｎ ｔ ａ Ｓ ｉ ｃ ） ｎ Ｊ ｅｉ ｕｌ ｅ
Ｖ０ ． ５ Ｎｏ ５ Ｊ１ ． Ｓｐ ００ ｅ ．２ １
２ １ ９月 ０ ０年
反应 器部分 尺寸如 下 ：同心 圆喷 口的外 圆直 径为 ５ｃ ｍ，内圆直 径 为 ３ｃ ｍ；总载气 （ ： 进 口直 Ｎ）
径 ５ｃ ｍ；基片距 离 同心 圆喷 口 ５Ｃ Ｉ 径 １ ｍ． １，直 Ｔ ０ｃ １２ 数值模 拟假设 ．
本文重点研究稳态时反应器流场、温场和浓度场随外界参数的变化．为简化复杂的模拟程 ，在
Ｇ Ｎ是重 要 的宽 带隙半导 体材料 ，是制备 蓝光 Ｌ Ｄ和大 功率 激光 器等现 代光 电器 件 的基础 ｎ ． ａ Ｅ 一］ 但 由于缺少 与之相 匹配 的衬底 ，高质量 的 Ｇ Ｎ薄 膜生 长一 直 存 在 困难 ，限制 了其广 泛应 用 ］ 由于 ａ ． 无 法制得 大面积 的 Ｇ Ｎ体材料 ，利用 Ｈ Ｐ （ ｙｒ ｅＶ ｐｒ ｈｓ Ｅ ｉｘ ，氢化 物气相外 延 ）技术 生 ａ Ｖ Ｅ Ｈ ｄ ｄ ａｏ ａｅ ｐｔ ｙ ｉ Ｐ ａ 长大面积 的 Ｇ Ｎ厚质外 延层就 成 了重 要 的选择 ．Ｈ Ｐ ａ Ｖ Ｅ具 有设 备 简单 、成本 低 、生 长速度 快 等优点 ， 可 以生长均 匀 、大 尺寸 的 Ｇ Ｎ厚 膜 ，作 为进一步 用 ＭＯ Ｖ ａ Ｃ Ｄ生长 薄膜 的衬底 ．迄今 报道 的 Ｈ Ｐ Ｖ Ｅ生 长 厚膜 ，速率最 高可 以达到 ８０ｔ ／ ，而且 位错 密度仅为 １ ｃ ］ ０ ｍ ｈ ￣ ０／ｍ ．当前 ，Ｈ Ｐ Ｖ Ｅ技术 已经成 为外延
量减小总载气进 口流量 ， 当增大同心圆喷 口的双进 Ｉ流量 ，并降低反应室 内的压强． 适 ＝ １
［ 关键词］Ｈ Ｐ Ｖ Ｅ反应器 ；同心 圆喷头 ；输运现象 ；数值模拟 ［ 中图分类号］Ｔ ２ ；Ｔ ３ Ｉ ０ Ｋ １ １ Ｂ４ ；＇ ３４ Ｎ ［ 文献标志码 ］Ａ
Ｏ 引言
［ 摘要 ］对 用于制备 Ｇ Ｎ的具有 同心 圆喷头的 Ｈ Ｐ （ ａ Ｖ Ｅ 氢化物气相 外延 ）反应器 内的输运 现象进行 了 三维数值模拟研究．在模拟计算 中，分别改变总载气进 口流量 、同心圆喷 口进 口流量、重力 、压强等条件，
得到反应 器内流场 、温场、浓度场的相应 变化．根据对模 拟结果 的分析 ，得出输运过程 的优 化条件为 ：尽
・３ ９・ ７
了抑制对 流和减 少外壁 沉积 ；另一 双重进 口即为所谓 的 同心圆喷 口，它是 以反应 腔 中心轴线 为轴 的同 轴套管 ，内管通 人 由 ＨＣ 和金属 Ｇ Ｉ ａ源生成 的 Ｇ Ｃ 和辅 Ｎ 的混合 气 ，二者 比例约为 １１０；外 （ ） ａＩ ：０ 环
管通人 Ｎ Ｈ ，以满足 Ｇ Ｎ生 长大 Ｖ／１的要 求 ．反应器 如 图 １所示水平 放置 ，基片 （ ａ １ １ 衬底 ）生长 表 面 垂直于 同心圆喷 口放置 ．
不影 响主要结 果 的前 提下 ，作如 下假设 ：１ 忽略 热辐射 和热扩散 效应 ；２ 忽 略 Ｇ Ｃ 粒 子 与 Ｎ 的 ） ） ａ１ Ｈ 表 面与气相化 学反应 ，仅 考虑载气 与反应 气体 的混合 、扩散 和对 流效 应 ；３ ）反 应器 基 片 的温度 分布 被简化 为等温 条件 ，反应器 外壁也 假设为 另一 等温条 件 ；４ 流动 为稳 态 ． ）
的管状 进 口为 总 载气 进 口，通 人 载气 Ｎ ，其 目的 是 为
图 １ 具 有 同心 圆喷 口的 Ｈ Ｐ Ｖ Ｅ反 应器 示 意 图
Ｆｇ １ Ｓ ｈ ｍａｉ ｆａ ＨＶＰＥ ｒ ａ ｔｒｗｉ ｉ． ｃ ｅ ｔ ｏ ｃ ｅ ｃｏ ｔ ｈ ｃ ｎ ｅ ｔｉ－ｉ ｕａ ｎｅｓ ｏ ｃ ｎｒ ｃｒ ｌｒｉｌｔ ｃ ｃ
［ 收稿 日期］２０ ０ ９—１ ７ ０—１ ［ 修回 日期 ］２ １ Ｏ —０ ０ ０一 １ ５ ［ 基金项 目］福建省科技计划重点项 目 （０ ９－０６ ２０ １ ０ ） １ ２ ［ 作者简介】李晖 （９ ４ ） １７ 一 ，女，讲师 ，硕士 ，从事工程热物理研究．
第 ５期
李晖 ：Ｈ Ｐ Ｖ Ｅ反应器 内输运现象的数值模拟研究