采用跨尺度研究方法优化氮化镓薄膜的生长均匀性

High-power LED, known as the green lighting source of the 21st Century, is mainly generated through stimulating yellow fluorescent powder with GaN-based blue light. Its reliability, light output and durability are influenced by GaN crystal growth uniformity. The project develops a dynamic multi-scale model to simulate MOCVD GaN growth process, and to optimize uniformity of epitaxial growth by combining real-time experimental study. Dynamic model is reflected by solving the macroscopic fields of fluid flow, heat transfer, chemical reaction and thermal stresses, while multi-scale simulation is embodied in the combination of the above macroscopic models and microscopic models based on Kinetic Monte Carlo (KMC) method for the study of transport phenomena during thin-film crystal growth. Growth uniformity mainly includes thin-film thickness uniformity, thermal stress uniformity, species uniformity and their associated defect uniformity, which are significantly affected by macroscopic transport theories and microscopic diffusion mechanisms, and can only be optimized using both dynamic multi-scale modeling and experimental study. The project couples the principles of engineering thermophysics and material sciences, theoretically proposes multi-scale relationships, clarifies the mechanisms of GaN defect formation and growth uniformity, and experimentally optimizes the quality and properties of GaN thin films. It provides material guarantee for fabrication of high-power LED, so it undoubtedly has theoretical significance and application value.

白光大功率LED被誉为21世纪的绿色照明光源，主要通过氮化镓（GaN）基蓝光激发黄色荧光粉实现，GaN薄膜的生长均匀性严重影响其可靠性、出光率和耐久性。本项目基于多场跨尺度的建模框架和方法，结合实验验证，对MOCVD制备GaN过程进行研究和优化。多场模型体现在对生长过程中流动、传热、化学反应、热应力等多场输运现象的耦合动态求解，而跨尺度模拟体现在结合上述宏观模型和基于动力学蒙特卡罗方法的微观模型对生长过程的耦合研究。GaN 薄膜的生长均匀性包括厚度、热应力和组分及相关晶体缺陷分布的均匀性，由于受到宏观输运理论和微观扩散机理的影响，只能采用动态跨尺度的方法进行研究和优化。本项目通过结合工程热物理和晶体材料学的基本原理，从理论上提出跨尺度关系，阐明GaN 的主要晶体缺陷和生长均匀性的影响机制，优化薄膜的制备过程，为白光大功率LED 的制造提供材料上的保证，因而具有重要的理论意义和实际应用价值。

白光大功率LED被誉为21世纪的绿色照明光源，主要通过氮化镓（GaN）基蓝光激发黄色荧光粉实现，GaN 薄膜的生长均匀性对器件的可靠性、出光率和耐久性有很大的影响。本项目基于多场跨尺度的建模框架，结合实验辅助手段，对MOCVD 制备GaN 过程和生长均匀性进行研究和优化。通过四年多的努力，建立了GaN MOCVD制备过程的多尺度多物理场的耦合模型和理论，多尺度模型基于分子动力学、动力学蒙特卡洛方法和数据库技术发展（命名为MKD），对具有位错的沉积过程能够在时间和空间上同时达到跨尺度计算，第一次从微观预测了宏观生长速率（以往的预测结果与实验存在量级的差异）。利用模型揭示了反应室设计及生长条件对组分缺陷、应力分布和位错密度的影响机理，得到了跨尺度关系，揭示生长均匀性的影响机制。通过实验验证了多场跨尺度模拟的方法和理论，并对MOCVD反应室设计、生产工艺等进行了系统的研究，提出了优化方案，为控制薄膜缺陷和提高生长均匀性提供了有效的理论指导。本项目取得了比较突出的研究成果，共发表标注本基金号（No.51476068）资助的文章17篇，其中SCI检索15篇，完成发明专利申报3项。培养博士研究生3名，硕士研究生8名。此外，即将由科学出版社出版50万字专著《晶体生长中输运现象及晶体缺陷》，过增元院士和杨德仁院士为本书做了序。本项目通过结合工程热物理和晶体材料学的基本原理，从理论上提出跨尺度关系，拓展了工程热物理交叉领域的理论和研究方法，具有重要的理论意义。同时，本项目的研究成果有助于获得高质量、低成本的GaN薄膜晶体，为白光大功率LED 的制造提供材料上的保证。研究成果有望在未来5年内在LED照明、半导体芯片、激光技术、显示技术等领域有所应用，并通过成果推广为SiC的制备提供重要的技术参考，促进大尺寸SiC薄膜晶体制备技术的发展，在国防、芯片制造、激光等领域产生重要的影响。