LEC法熔體內(nèi)輸運特性數(shù)值模擬及凝膠法晶體生長機理研究.pdf

1、學科間的交叉、融合以及向微觀世界不斷深入是當今科學研究的兩大重要特征。熱科學與材料科學的交叉已成為近年來極具活力的新學科生長點；而一些全新的測試儀器，如原子力顯微鏡等的出現(xiàn)，為人們探索過去欲探索卻無法探索的微觀世界創(chuàng)造了條件。本課題利用熱科學的基本理論，用數(shù)值計算方法，研究晶體生長中熔體內(nèi)的熱、質(zhì)輸運特性，并利用原子力顯微鏡對晶體生長界面的微觀形貌進行觀察，研究晶體生長的微觀機理。分別選擇了適合熔體生長的重要的化合物半導體材料砷化鎵和適

2、合凝膠法晶體生長的具有優(yōu)良電、光特性的高氯酸鉀作為研究對象。主要內(nèi)容為： (1) 對 LEC 法砷化鎵單晶生長中熔體內(nèi)熱量、動量及質(zhì)量輸運建立了三維時相關的紊流數(shù)學模型，在模型中考慮了熔體/晶體界面的溶質(zhì)分凝效應，采用基于交錯網(wǎng)格的有限容積法(FVM)進行數(shù)值求解。通過計算結(jié)果比較，認為低Re的k-ε紊流模型能較好地定量描述溫度梯度及旋轉(zhuǎn)驅(qū)動下的熔體流動特性；對已有文獻中的CZ熔體流動特性進行數(shù)值模擬，并與其實驗結(jié)果進行比較，驗

3、證了數(shù)學模型和計算方法的正確性。 (2) 對浮力和熱毛細力驅(qū)動的熔體內(nèi)自然對流，通過改變加熱溫差分析了浮力和熱毛細力對熔體流動狀態(tài)的影響。研究結(jié)果表明，加熱溫差增大到某一臨界值時，熔體流動將由軸對稱的穩(wěn)態(tài)流動轉(zhuǎn)換為非軸對稱的振蕩流動；流動狀態(tài)轉(zhuǎn)換的機制歸結(jié)為熱毛細力引起的不穩(wěn)定性，熔體高度的變化對流動狀態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界溫差幾乎沒影響；熔體流動為非軸對稱的振蕩流動時，熔體內(nèi)出現(xiàn)熱流體波波型，該波波型沒有沿周向旋轉(zhuǎn)，僅是形狀隨加熱溫差增

4、大由規(guī)則變?yōu)椴灰?guī)則。 (3) 對浮力、熱毛細力和晶體旋轉(zhuǎn)共同作用驅(qū)動的混合對流，通過改變晶體轉(zhuǎn)速，分析了各力及其相互作用對熔體流動狀態(tài)的影響。研究結(jié)果表明，熔體中溫度梯度驅(qū)動的浮力和熱毛細力的聯(lián)合作用與晶體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力和科里奧利力的聯(lián)合作用相匹配時，熔體流動表現(xiàn)為與熱毛細不穩(wěn)定流動不同的非軸對稱振蕩流動。通過對熔體內(nèi)溫度場分布特征的分析，揭示了引起該非軸對稱的振蕩流動的機制為斜壓不穩(wěn)定性。在斜壓不穩(wěn)定流動中，熔體內(nèi)出現(xiàn)沿晶體

5、旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)且具有垂直方向的完全正關聯(lián)特性的斜壓熱流體波。分析了 LEC 法砷化鎵熔體內(nèi)斜壓熱流體波波型的形成機理。數(shù)值預測到了發(fā)生斜壓不穩(wěn)定流動的熔體內(nèi)的諸多流動特征。一定范圍內(nèi)的熔體高度變化對流動狀態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界晶體轉(zhuǎn)速沒有明顯影響。得出了不同加熱溫差下的臨界晶體轉(zhuǎn)速，繪出了晶體旋轉(zhuǎn)時的熔體流動狀態(tài)區(qū)域圖。 (4) 對浮力、熱毛細力和坩堝旋轉(zhuǎn)共同作用驅(qū)動的混合對流，通過改變坩堝轉(zhuǎn)速，分析了各力及其相互作用對熔體流動狀態(tài)的影響。

6、研究結(jié)果表明，浮力和熱毛細力的聯(lián)合作用與坩堝旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的科里奧利力作用相當時，熔體流動為非軸對稱的振蕩流動，該流動同樣由斜壓不穩(wěn)定性引起；在斜壓不穩(wěn)定流動中出現(xiàn)了與晶體旋轉(zhuǎn)時不同的諸多流動特征，如斜壓熱流體波波型沿坩堝旋轉(zhuǎn)方向旋轉(zhuǎn)，并隨著坩堝轉(zhuǎn)速增大由不規(guī)則轉(zhuǎn)變?yōu)橐?guī)則形狀，采用低于晶體轉(zhuǎn)速數(shù)倍的坩堝轉(zhuǎn)速可使熔體回復到軸對稱的穩(wěn)態(tài)流動等。得出了流動狀態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界參數(shù)，結(jié)果與用有差異地加熱的旋轉(zhuǎn)環(huán)流體在實驗室模擬氣象現(xiàn)象的實驗中得到的產(chǎn)生斜壓

7、不穩(wěn)定性的上下邊界一致。繪出了坩堝旋轉(zhuǎn)時的熔體流動狀態(tài)區(qū)域圖。 (5) 提出了抵消摻雜物的分凝效應，生長均勻摻雜的砷化鎵單晶的雙坩堝熔體補充的改進方法，并通過理論推導和數(shù)值計算論證了該方法的可行性和有效性。數(shù)值模擬結(jié)果表明：改進后的雙坩堝熔體補充方法能有效抑制生長界面附近摻雜物 Si 濃度的增大，而且不改變摻雜物濃度分布的徑向均勻性；補充熔體出口位置、軸對稱流動范圍內(nèi)的晶體轉(zhuǎn)速變化幾乎不影響硅摻雜物在晶體中的軸向分布和徑向分布均

8、勻性。該方法不但可以提高晶體的質(zhì)量、成晶率和尺寸，還具有生長熔體高度易于控制，可操作性強等優(yōu)點。 (6) 實驗研究了反應物濃度、凝膠密度、生長溫度、凝膠pH值等生長參數(shù)對KClO<,4>晶體生長的成核數(shù)目、大小、形狀及質(zhì)量的影響。尋找到了生長出形狀規(guī)則、透明、尺寸較大的KClO<,4>單晶的最佳條件。從熱力學角度分析了過飽和度對晶體成核數(shù)的影響。根據(jù)實驗結(jié)果討論了過飽和度對KClO<,4>晶體生長形態(tài)的影響，并得出了KClO<,

9、4>晶體各晶面的顯露次序，實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，驗證了PBC理論的正確性。 (7) 用AFM對凝膠法生長的KClO<,4>晶體的最重要面——{001}面微觀形貌進行了觀測。結(jié)果表明，在不同的過飽和度下，KClO<,4>晶體表現(xiàn)為不同的生長機制，其中層核生長機制的發(fā)現(xiàn)和提出還未見文獻報道；對二維成核晶體生長機制，揭示了KClO<,4>晶體生長中二維核的形狀和取向，及生長臺階的取向；雜質(zhì)的存在將阻止臺階的向前推進，并導致聚并臺