多片式mocvd系统温度控制方法研究与实现.pdf

西安电子科技大学 硕士学位论文 多片式MOCVD系统温度控制方法研究与实现 姓名：胡俊杰 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：过润秋 20090101 摘要 M O C V D ( 金属有机化合物化学气相淀积) ，是第三代新型半导体材料G a N 生 长技术多片式M O C v D 设备的成功研制，给半导体材料的应用提供了广阔的前景 M O C V D 设备反应室内石墨基座区域的温度控制直接影响着半导体材料生长的质 量，而M O C V D 设备温度控制具有“非线性”、“大滞后”等特点，为了实现多片 式M O C V D 设备温度控制，研究该设备的温度控制方法是非常有必要的 本文首先简单介绍了M O C V D 系统以及多片式M O C V D 设备温度控制的控制 对象、控制方式及控制特点然后，根据系统辨识的原理，通过处理实验数据， 得到了多片式M O C V D 温度控制系统的静态模型和动态模型针对多片式M O C v D 设备的近似动态模型，利用M A T L A B 的S I M U L I N K 仿真环境，对几种温度控制方 法及其复合控制方法进行了仿真。

在仿真中，分析总结了参数调节规律，并比较 了各种方法的优缺点，为实现多片式M O C V D 设备温度控制选择控制方法提供了理 论参考最后设计了温度控制程序并在上位机w i n C C 全局脚本下编程，实现了多 片式M O C V D 设备的温度控制 目前多片式M O C V D 设备温度控制系统运行良好，实现了高质量G a N 半导体材 料的生长，这充分表明了所设计的温度控制程序完全满足控制要求 关键字：．M O C V I )温度控制模糊控制P I D 控制 A b s t r a c t M O C V D ( M e t a lO r g a n i cC h e m i c a lV a p o rD e p o s i t i o n ) i st h eg r o w t ht e c h n o l o g yo f t h et h i r dg e n e r a t i o nn e ws e m i c o n d u c t o rm a t e r i a lG a N T h es u c c e s s f u ld e v e l o p m e n to f t h eM u l t i —c h i p sM O C V D e q u i p m e n tw i l lp r o v i d eab r o a dp r o s p e c tt ot h es e m i c o n d u c t o r m a t e r i a la p p l i c a t i o n ．T h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fg r a p h i t eb a s ei nt h eM O C V D r e a c t o rh a sad i r e c ti m p a c to nt h eq u a l i t yo ft h eg r o w t ho fs e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l ，b u t t h ee q u i p m e n ti sc h a r a c t e r i z e da s n o n —l i n e a r ”，”l a r g et i m e —d e l a y t t S Oi ti sv e r y n e c e s s a r yt om a k er e s e a r c ho nt h em e t h o d so ft h et e m p e r a t u r ep r e c i s ec o n t r o lo ft h e s y s t e m ． T h i sp a p e rf as tb r i e f l yi n t r o d u c e st h eM O C V D s y s t e m ，a sw e l la st h et e m p e r a t u r e c o n t r o lo b j e c t ，c o n t r o lm o d ea n dc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i c so ft h eM u l t i - c h i p sM O C V D e q u i p m e n t ．A c c o r d i n g t ot h e p r i n c i p l e s o f s y s t e mi d e n t i f i c a t i o n ，a n a l y s i s t h e e x p e r i m e n t a ld a t aa n dg e t st h es t a t i cm o d e la n dd y n a m i cm o d e lo ft h et e m p e r a t u r e c o n t r o ls y s t e m ．A f t e rg e t t i n gt h es i m u l a t i o nm o d e l ，t h es i m u l a t i o no fs o m ec o n t r o l m e t h o d sa n dt h e i rh y b r i dm e t h o d sa r es t u d i e du n d e rt h ec o n d i t i o no ft h eS I M U L I N Ki n M A T L A B ，s u m m a r i e sp a r a m e t e r sr e g u l a t i n g l a wa n dc o m p a r e sa d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft h e s em e t h o d s ，w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h er e a l i z a t i o no f t h et e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 ．F i n a l l yd e s i g u e st e m p e r a t u r ec o n t r o lp r o c e d u r e sf o r t h e M O C V Ds y s t e ma n dp r o g r a m e su n d e rt h eW i n C Cs c r i p to ft h eu p p e rc o m p u t e r ． N o w ，t h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo ft h eM O C V De q u i p m e n tr u n sw e l l ，i t e n s u r e st h eh i g h - q u a l i t yo ft h em a t e r i a lg r o w t h ．T h er e s u l ta l s os h o w st h a tt h e t e m p e r a t u r ec o n t r o lp r o g r a mc a nf u l l ym e e tt h er e q u i r e m e n t so fM O C V Ds y s t e m ． K e y w o r d s ： M O C V D T e m p e r a t u r ec o n t r o l F u z z yc o n t r o l P I Dc o n t r o l 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任 本人签名：堇旦! 窒盔 日期：卫Z ：! ：Z 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书 本人签名：．茎鱼! 复查 同期：狸Z [ ：乞 ， 、、一 I 导师签名： 2 幺到丛日期：2 翌2f ：2 第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 半导体材料的发展 新型半导体材料的研究和突破，常常导致新的技术革命和新兴产业的发展。

以氮化镓为代表的第三代半导体材料，是继以硅基半导体为代表的第一代半导体 材料和以砷化镓和磷化铟为代表的第二代半导体材料之后，在近1 0 年发展起来的 新型宽带半导体材料作为第一代半导体材料，硅基半导体材料及其集成电路的 发展导致了微型计算机的出现和整个计算机产业的飞跃，并广泛应用于信息处理、 自动控制等领域，对人类社会的发展起了极大的促进作用硅基半导体材料虽然 在微电子领域得到广泛应用，但硅材料本身间接能带结构的特点限制了其在光电 子领域的应用随着以光通信为基础的信息高速公路的崛起和社会信息化的发展， 第二代半导体材料崭露头角，砷化镓和磷化铟半导体激光器成为光通信系统中的 关键元器件同时，砷化镓高速器件也开拓了移动通信的新产业 以碳化硅( S i C ) 和氮化镓( G a N ) 为代表的宽禁带半导体是硅和砷化镓以后 的第三代新型半导体，具有大禁带宽度、高临界场强、高热导率、高载流子饱和 速率等特性，是制造短波长光电子器件、高温器件、抗辐照器件和高功率高频电 子器件最重要的半导体材料【l J 未来和今后一段时间，宽禁带半导体器件和集成电 路将成为大功率微波武器、雷达、电子战、抗核武器，以及航空、坦克等武器系 统的关键电子器件和电路。

所以当前对半导体材料的研究，例如材料生长研究、 材料基本物理参数的测定、材料物理性质的研究、以及各种新器件的设计和应用 研究非常有意义 1 ．2M O C V D 生长技术 任何半导体器件制造的第一步工艺都是生长高质量的半导体薄膜材料 M O C V D ( M e t a lO r g a n i cC h e m i c a lV a p o rD e p o s i t i o n ) ，即金属有机化合物化学气相 淀积就是一种高质量半导体材料生长技术，它以M O 化合物为材料源主要用于 生长ⅡI ．V 族化合物半导体材料( 如G a A s 、A 1 G a A s 、G a N 、A 1 G a N 等) 、I V 族半 导体材料( 如S i ／G e 、金刚石和S i C 等) 、I I ．V I 族化合物半导体材料( C d T e ／H g C d T e 、 C d Z n T e 、Z n S 、Z n S e 、Z n M g S S e 、Z。