[發明專利]藍光LED氮化鎵外延過程尾氣回收

有效

• 申請號: 201110398618.4
• 申請日: 2011-12-05
• 公開（公告）號: CN103130245A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發明（設計）人: 吳納新
• 申請（專利權）人: 吳納新
• 主分類號: C01C1/12
• 分類號: C01C1/12;H01L33/00;C23C16/34
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域：

本發明是光電產業用MOCVD生長氮化鎵半導體發光材料所產生的尾氣回收。屬于節能環保、廢氣處理和回收技術領域。

技術背景：

近年來隨著藍光LED氮化鎵半導體外延片的技術突破，LED在液晶電視背光源、太陽能路燈、城市景觀、交通隧道燈和汽車燈等領域得到了大量應用。特別在普通照明領域，將替代白熾燈和節能燈掀起一場照明領域的技術革命，具有廣闊的市場前景。

超高純氨氮源、有機金屬化合物MO源和藍寶石襯底為GaN?LED外延片生產的三大核心材料。在GaN外延片生長過程中會產生大量尾氣，其主要組成包括：H₂、N₂、NH₃和少量的TMGa、TMIn等。目前處理上述工藝尾氣的方法有硫酸溶液吸收法、燃燒分解法或等離子分解法等，其設備費用，操作費用或化學品消耗費用都較高。

為此，本發明用于改進尾氣的處理過程，并且變廢為寶能夠回收尾氣中含量較大的氨氣。此項技術的實施推廣，可以實現循環的綠色生產，將具有很好的社會效益和經濟效益。

發明內容：

生長藍光LED?GaN半導體外延片的MOCVD尾氣中含有H₂、N₂、NH₃和少量的TMGa、TMIn等。目前較廣泛采用的Aixtron2800G5型和Veeco?K4651型MOCVD正常操作時所產生的尾氣中NH₃含量約為100NL/min左右，也即一臺MOCVD設備的超高純氨用量為130～150100NL/min，實際參加化學反應所消耗的氨量僅為20～40％，尚有60～80％的氨在尾氣中排出。如果MOCVD設備按實際通氨工作時間，每晝夜尾氣中排出氨量約48Nm³。因此，一個具有50臺MOCVD工廠每晝夜排出氨量為2400Nm³或平均每小時將排出氨量100Nm³。如果把上述尾氣中氨回收提純，其回收效率按50％計算，每年可以回收得到超高純氨40萬Nm³(或液氨300噸)。

本發明的MOCVD尾氣回收裝置采用純水吸收塔溶解回收氨氣，然后通過兩級精餾把氨水提純為超高純氨，其工藝流程參見附圖。

如圖所示，由MOCVD爐內排出的含氨尾氣匯集后首先進入兩級純水吸收塔(1)(2)，溶解回收氨氣。殘余尾氣通過廢氣塔(3)進一步除去微量氨，可把尾氣中殘氨降至20ppm以下直接排放。純水吸收塔采用7～10℃冷凍水，自純水吸收塔(2)的底部進入在純水吸收塔(2)的上部進入純水吸收塔(1)的上部，在純水吸收塔(1)的下部排出，送人氨水儲罐(4)。此時回收下來的氨水濃度可達25％(重量)以上。用液氨泵(5)把氨水送入兩級精餾塔提濃。第一級精餾由再沸器(6)、精餾塔(7)和冷凝器(8)組成，氨水經再沸器加熱蒸發，在精餾塔內上升蒸汽和冷凝器下來的回流液體不斷進行氣液平衡，輕組分氨在塔上部不斷提濃，重組分水在塔的下部不斷增濃，冷凝器用7～10℃冷凍水通過列管熱交換，可使精餾塔內上升蒸汽得到充分冷卻進行液化回流。由第一級精餾塔提濃的氨氣濃度可達99.9％以上，可自精餾塔頂部送入第二級精餾塔進一步提純。第二級精餾塔同樣有再沸器(9)、精餾塔(10)和冷凝器(11)組成，第二級精餾塔可把氨提純到99.99999％，得到超高純氨在塔頂放出，可儲于內壁拋光的不銹鋼儲罐(12)內，再由儲罐送至各MOCVD爐(13)內供GaN外延使用。本發明可使超高純氨在MOCVD氮化鎵外延過程中實現閉路循環的綠色生產。

實施舉例：

某工廠生產高亮度藍光HBLED晶片，共有MOCVD設備30臺，每月使用超高純氨50噸，需處理約35噸含氨尾氣。吸收塔內盛陶瓷鮑爾環填料，用7～10℃冷凍水吸收尾氣中氨，由于氨氣極易溶解于水，最大的溶解比例約為700∶1，因此在水溫10℃時可得到氨水濃度25％以上。尾氣中氨的含量可降到100ppm以下，然后通過廢氣塔可使尾氣中殘氨量降至20ppm以下，能直接排放到大氣中。尾氣中的氨在吸收塔中可以溶解回收達到99.9％以上。回收的氨水經過兩級精餾塔提純可以得到純度為99.99999％(7N)超高純氨，直接用于MOCVD氮化鎵外延的氮源。該裝置每月可回收超高純氨15～20噸。

藍光LED氮化鎵外延MOCVD尾氣回收不但大大節省了廢氣處理裝置的費用，避免了環境污染，有利于環保并且變廢為寶，可以回收超高純氨，顯著的降低GaN發光器件的成本，將有效的促進半導體照明節能技術的發展推廣。