《採用跨尺度研究方法最佳化氮化鎵薄膜的生長均勻性》是依託華中科技大學，由方海生擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：採用跨尺度研究方法最佳化氮化鎵薄膜的生長均勻性
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：方海生
- 依託單位：華中科技大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
白光大功率LED被譽為21世紀的綠色照明光源，主要通過氮化鎵（GaN）基藍光激發黃色螢光粉實現，GaN薄膜的生長均勻性嚴重影響其可靠性、出光率和耐久性。本項目基於多場跨尺度的建模框架和方法，結合實驗驗證，對MOCVD製備GaN過程進行研究和最佳化。多場模型體現在對生長過程中流動、傳熱、化學反應、熱應力等多場輸運現象的耦合動態求解，而跨尺度模擬體現在結合上述巨觀模型和基於動力學蒙特卡羅方法的微觀模型對生長過程的耦合研究。GaN 薄膜的生長均勻性包括厚度、熱應力和組分及相關晶體缺陷分布的均勻性，由於受到巨觀輸運理論和微觀擴散機理的影響，只能採用動態跨尺度的方法進行研究和最佳化。本項目通過結合工程熱物理和晶體材料學的基本原理，從理論上提出跨尺度關係，闡明GaN 的主要晶體缺陷和生長均勻性的影響機制，最佳化薄膜的製備過程，為白光大功率LED 的製造提供材料上的保證，因而具有重要的理論意義和實際套用價值。
結題摘要
白光大功率LED被譽為21世紀的綠色照明光源，主要通過氮化鎵（GaN）基藍光激發黃色螢光粉實現，GaN 薄膜的生長均勻性對器件的可靠性、出光率和耐久性有很大的影響。本項目基於多場跨尺度的建模框架，結合實驗輔助手段，對MOCVD 製備GaN 過程和生長均勻性進行研究和最佳化。通過四年多的努力，建立了GaN MOCVD製備過程的多尺度多物理場的耦合模型和理論，多尺度模型基於分子動力學、動力學蒙特卡洛方法和資料庫技術發展（命名為MKD），對具有位錯的沉積過程能夠在時間和空間上同時達到跨尺度計算，第一次從微觀預測了巨觀生長速率（以往的預測結果與實驗存在量級的差異）。利用模型揭示了反應室設計及生長條件對組分缺陷、應力分布和位錯密度的影響機理，得到了跨尺度關係，揭示生長均勻性的影響機制。通過實驗驗證了多場跨尺度模擬的方法和理論，並對MOCVD反應室設計、生產工藝等進行了系統的研究，提出了最佳化方案，為控制薄膜缺陷和提高生長均勻性提供了有效的理論指導。本項目取得了比較突出的研究成果，共發表標註本基金號（No.51476068）資助的文章17篇，其中SCI檢索15篇，完成發明專利申報3項。培養博士研究生3名，碩士研究生8名。此外，即將由科學出版社出版50萬字專著《晶體生長中輸運現象及晶體缺陷》，過增元院士和楊德仁院士為本書做了序。本項目通過結合工程熱物理和晶體材料學的基本原理，從理論上提出跨尺度關係，拓展了工程熱物理交叉領域的理論和研究方法，具有重要的理論意義。同時，本項目的研究成果有助於獲得高質量、低成本的GaN薄膜晶體，為白光大功率LED 的製造提供材料上的保證。研究成果有望在未來5年內在LED照明、半導體晶片、雷射技術、顯示技術等領域有所套用，並通過成果推廣為SiC的製備提供重要的技術參考，促進大尺寸SiC薄膜晶體製備技術的發展，在國防、晶片製造、雷射等領域產生重要的影響。
