LEC法生長(zhǎng)GaAs、InP晶體及LEFZ法生長(zhǎng)GaAs晶體中熱應(yīng)力分布.pdf

1、化合物半導(dǎo)體材料GaAs 和InP是微電子和光電子的基礎(chǔ)材料。晶體中的位錯(cuò)會(huì)大大降低晶體的電學(xué)和光學(xué)性能。位錯(cuò)的產(chǎn)生歸結(jié)于由溫度梯度引起的熱應(yīng)力。采用有限單元法數(shù)值求解了LEC法生長(zhǎng)GaAs、InP晶體以及LEFZ法生長(zhǎng)GaAs晶體中的熱應(yīng)力。GaAs、InP晶體均假設(shè)為穩(wěn)態(tài)軸對(duì)稱(chēng)下的線彈性體。分別研究了LEC法生長(zhǎng)出的GaAs單晶中不同液封厚度(he)，不同磁場(chǎng)強(qiáng)度(Hartmann數(shù)，Ha)，不同晶體轉(zhuǎn)速( s)下的流動(dòng)和傳熱所對(duì)應(yīng)

2、的熱應(yīng)力分布；研究了LEFZ法生長(zhǎng)出的GaAs單晶中不同液封厚度(he)，不同磁場(chǎng)強(qiáng)度(Ha)，不同晶體轉(zhuǎn)速( s)與進(jìn)料棒轉(zhuǎn)速( f)下的流動(dòng)和傳熱所對(duì)應(yīng)的熱應(yīng)力分布；也研究了LEC法生長(zhǎng)出的InP單晶中不同液封厚度(he)，不同磁場(chǎng)強(qiáng)度(Ha)，不同提拉速度(Vs)，不同晶體轉(zhuǎn)速( s)以及不同坩堝轉(zhuǎn)速( c) 下的流動(dòng)和傳熱所對(duì)應(yīng)的熱應(yīng)力分布。以上所提到的熱應(yīng)力計(jì)算均考慮了生長(zhǎng)界面對(duì)應(yīng)力的影響。通過(guò)繪制晶體中的等效應(yīng)力(Von M

3、ises)等值線圖，直觀反映出晶體中的熱應(yīng)力分布情況。所得到的結(jié)論如下： 1.LEC法生長(zhǎng)GaAs單晶中熱應(yīng)力分布 1) Von Mises應(yīng)力最大值出現(xiàn)在晶體外表面，不同情況下其大小不同，介于7.41MPa和21.5MPa間；2）液封內(nèi)流動(dòng)較弱時(shí)，Von Mises應(yīng)力最大值位于晶體外表面高于液封自由表面處；液封內(nèi)流動(dòng)較強(qiáng)時(shí)，應(yīng)力最大值發(fā)生在液封內(nèi)；3）靠近晶體外緣生長(zhǎng)界面為凹界面且內(nèi)凹顯著時(shí)，應(yīng)力最大值發(fā)生在液封內(nèi)

4、靠近生長(zhǎng)界面處，且最大熱應(yīng)力值較大。生長(zhǎng)界面形狀對(duì)熱應(yīng)力分布和大小有顯著的影響； 2. LEFZ法生長(zhǎng)GaAs單晶中熱應(yīng)力分布 1) Von Mises應(yīng)力最大值總出現(xiàn)在晶體側(cè)壁。隨著液封厚度的增加，晶體中應(yīng)力最大值減??；隨著晶體轉(zhuǎn)速的增加，應(yīng)力最大值略有增加；進(jìn)料棒轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)力最大值的影響不大；2）沿生長(zhǎng)界面的應(yīng)力分布，應(yīng)力最大值和平均值與生長(zhǎng)界面的形狀有關(guān)。生長(zhǎng)界面愈平，界面上的應(yīng)力最大值和平均值愈小；界面變形愈大，界

5、面上應(yīng)力最大值和平均值愈大。與凸界面相比，凹界面會(huì)導(dǎo)致更大的生長(zhǎng)界面的應(yīng)力。 3．LEC法生長(zhǎng)InP單晶中熱應(yīng)力分布 1）Von Mises應(yīng)力最大值的位置大多出現(xiàn)在生長(zhǎng)界面靠近軸中心處。應(yīng)力最大值主要受熔體與晶體之間換熱量和生長(zhǎng)界面的影響：隨著液封厚度的增加，界面變形增大，但變形不明顯，熔體與晶體之間的換熱量減小，應(yīng)力最大值隨之減小；隨著磁場(chǎng)強(qiáng)度的增加，熔體與晶體之間的換熱量增加，生長(zhǎng)界面由凸界面變?yōu)榘冀缑?。因此，隨著

6、磁場(chǎng)強(qiáng)度增加，應(yīng)力最大值增加；隨著晶體提拉速度的增大，晶體可以帶走更多的固化潛熱，應(yīng)力最大值隨之增大；隨著晶體轉(zhuǎn)速的增大，熔體與晶體之間的換熱量有所增加，而生長(zhǎng)界面也由凸界面變?yōu)榘冀缑?，相?yīng)地，應(yīng)力最大值也隨之增加；而隨著坩堝轉(zhuǎn)速的改變，熔體與晶體之間的換熱量變化不大，且生長(zhǎng)界面也幾乎重合，應(yīng)力最大值相差很??；2）應(yīng)力最大值的變化趨勢(shì)與熔體/晶體之間換熱量的變化趨勢(shì)一致。熔體/晶體之間的換熱量增大，則晶體中的應(yīng)力最大值也呈增大的趨勢(shì)；反