[发明专利]蓝光LED氮化镓外延过程尾气回收

说明书

技术领域：

本发明是光电产业用MOCVD生长氮化镓半导体发光材料所产生的尾气回收。属于节能环保、废气处理和回收技术领域。

技术背景：

近年来随着蓝光LED氮化镓半导体外延片的技术突破，LED在液晶电视背光源、太阳能路灯、城市景观、交通隧道灯和汽车灯等领域得到了大量应用。特别在普通照明领域，将替代白炽灯和节能灯掀起一场照明领域的技术革命，具有广阔的市场前景。

超高纯氨氮源、有机金属化合物MO源和蓝宝石衬底为GaN LED外延片生产的三大核心材料。在GaN外延片生长过程中会产生大量尾气，其主要组成包括：H₂、N₂、NH₃和少量的TMGa、TMIn等。目前处理上述工艺尾气的方法有硫酸溶液吸收法、燃烧分解法或等离子分解法等，其设备费用，操作费用或化学品消耗费用都较高。

为此，本发明用于改进尾气的处理过程，并且变废为宝能够回收尾气中含量较大的氨气。此项技术的实施推广，可以实现循环的绿色生产，将具有很好的社会效益和经济效益。

发明内容：

生长蓝光LED GaN半导体外延片的MOCVD尾气中含有H₂、N₂、NH₃和少量的TMGa、TMIn等。目前较广泛采用的Aixtron2800G5型和Veeco K4651型MOCVD正常操作时所产生的尾气中NH₃含量约为100NL/min左右，也即一台MOCVD设备的超高纯氨用量为130～150100NL/min，实际参加化学反应所消耗的氨量仅为20～40％，尚有60～80％的氨在尾气中排出。如果MOCVD设备按实际通氨工作时间，每昼夜尾气中排出氨量约48Nm³。因此，一个具有50台MOCVD工厂每昼夜排出氨量为2400Nm³或平均每小时将排出氨量100Nm³。如果把上述尾气中氨回收提纯，其回收效率按50％计算，每年可以回收得到超高纯氨40万Nm³(或液氨300吨)。

本发明的MOCVD尾气回收装置采用纯水吸收塔溶解回收氨气，然后通过两级精馏把氨水提纯为超高纯氨，其工艺流程参见附图。

如图所示，由MOCVD炉内排出的含氨尾气汇集后首先进入两级纯水吸收塔(1)(2)，溶解回收氨气。残余尾气通过废气塔(3)进一步除去微量氨，可把尾气中残氨降至20ppm以下直接排放。纯水吸收塔采用7～10℃冷冻水，自纯水吸收塔(2)的底部进入在纯水吸收塔(2)的上部进入纯水吸收塔(1)的上部，在纯水吸收塔(1)的下部排出，送人氨水储罐(4)。此时回收下来的氨水浓度可达25％(重量)以上。用液氨泵(5)把氨水送入两级精馏塔提浓。第一级精馏由再沸器(6)、精馏塔(7)和冷凝器(8)组成，氨水经再沸器加热蒸发，在精馏塔内上升蒸汽和冷凝器下来的回流液体不断进行气液平衡，轻组分氨在塔上部不断提浓，重组分水在塔的下部不断增浓，冷凝器用7～10℃冷冻水通过列管热交换，可使精馏塔内上升蒸汽得到充分冷却进行液化回流。由第一级精馏塔提浓的氨气浓度可达99.9％以上，可自精馏塔顶部送入第二级精馏塔进一步提纯。第二级精馏塔同样有再沸器(9)、精馏塔(10)和冷凝器(11)组成，第二级精馏塔可把氨提纯到99.99999％，得到超高纯氨在塔顶放出，可储于内壁抛光的不锈钢储罐(12)内，再由储罐送至各MOCVD炉(13)内供GaN外延使用。本发明可使超高纯氨在MOCVD氮化镓外延过程中实现闭路循环的绿色生产。

实施举例：

某工厂生产高亮度蓝光HBLED晶片，共有MOCVD设备30台，每月使用超高纯氨50吨，需处理约35吨含氨尾气。吸收塔内盛陶瓷鲍尔环填料，用7～10℃冷冻水吸收尾气中氨，由于氨气极易溶解于水，最大的溶解比例约为700∶1，因此在水温10℃时可得到氨水浓度25％以上。尾气中氨的含量可降到100ppm以下，然后通过废气塔可使尾气中残氨量降至20ppm以下，能直接排放到大气中。尾气中的氨在吸收塔中可以溶解回收达到99.9％以上。回收的氨水经过两级精馏塔提纯可以得到纯度为99.99999％(7N)超高纯氨，直接用于MOCVD氮化镓外延的氮源。该装置每月可回收超高纯氨15～20吨。

蓝光LED氮化镓外延MOCVD尾气回收不但大大节省了废气处理装置的费用，避免了环境污染，有利于环保并且变废为宝，可以回收超高纯氨，显著的降低GaN发光器件的成本，将有效的促进半导体照明节能技术的发展推广。