LEC法熔體內(nèi)輸運(yùn)特性數(shù)值模擬及凝膠法晶體生長(zhǎng)機(jī)理研究.pdf

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

2、合凝膠法晶體生長(zhǎng)的具有優(yōu)良電、光特性的高氯酸鉀作為研究對(duì)象。主要內(nèi)容為： (1) 對(duì) LEC 法砷化鎵單晶生長(zhǎng)中熔體內(nèi)熱量、動(dòng)量及質(zhì)量輸運(yùn)建立了三維時(shí)相關(guān)的紊流數(shù)學(xué)模型，在模型中考慮了熔體/晶體界面的溶質(zhì)分凝效應(yīng)，采用基于交錯(cuò)網(wǎng)格的有限容積法(FVM)進(jìn)行數(shù)值求解。通過(guò)計(jì)算結(jié)果比較，認(rèn)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(dòng)下的熔體流動(dòng)特性；對(duì)已有文獻(xiàn)中的CZ熔體流動(dòng)特性進(jìn)行數(shù)值模擬，并與其實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)

3、證了數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法的正確性。 (2) 對(duì)浮力和熱毛細(xì)力驅(qū)動(dòng)的熔體內(nèi)自然對(duì)流，通過(guò)改變加熱溫差分析了浮力和熱毛細(xì)力對(duì)熔體流動(dòng)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(shí)，熔體流動(dòng)將由軸對(duì)稱的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)轉(zhuǎn)換為非軸對(duì)稱的振蕩流動(dòng)；流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的機(jī)制歸結(jié)為熱毛細(xì)力引起的不穩(wěn)定性，熔體高度的變化對(duì)流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界溫差幾乎沒(méi)影響；熔體流動(dòng)為非軸對(duì)稱的振蕩流動(dòng)時(shí)，熔體內(nèi)出現(xiàn)熱流體波波型，該波波型沒(méi)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(duì)浮力、熱毛細(xì)力和晶體旋轉(zhuǎn)共同作用驅(qū)動(dòng)的混合對(duì)流，通過(guò)改變晶體轉(zhuǎn)速，分析了各力及其相互作用對(duì)熔體流動(dòng)狀態(tài)的影響。研究結(jié)果表明，熔體中溫度梯度驅(qū)動(dòng)的浮力和熱毛細(xì)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(shí)，熔體流動(dòng)表現(xiàn)為與熱毛細(xì)不穩(wěn)定流動(dòng)不同的非軸對(duì)稱振蕩流動(dòng)。通過(guò)對(duì)熔體內(nèi)溫度場(chǎng)分布特征的分析，揭示了引起該非軸對(duì)稱的振蕩流動(dòng)的機(jī)制為斜壓不穩(wěn)定性。在斜壓不穩(wěn)定流動(dòng)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(guān)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(jī)理。數(shù)值預(yù)測(cè)到了發(fā)生斜壓不穩(wěn)定流動(dòng)的熔體內(nèi)的諸多流動(dòng)特征。一定范圍內(nèi)的熔體高度變化對(duì)流動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)換的臨界晶體轉(zhuǎn)速?zèng)]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(shí)的熔體流動(dòng)狀態(tài)區(qū)域圖。 (4) 對(duì)浮力、熱毛細(xì)力和坩堝旋轉(zhuǎn)共同作用驅(qū)動(dòng)的混合對(duì)流，通過(guò)改變坩堝轉(zhuǎn)速，分析了各力及其相互作用對(duì)熔體流動(dòng)狀態(tài)的影響。

6、研究結(jié)果表明，浮力和熱毛細(xì)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(dāng)時(shí)，熔體流動(dòng)為非軸對(duì)稱的振蕩流動(dòng)，該流動(dòng)同樣由斜壓不穩(wěn)定性引起；在斜壓不穩(wěn)定流動(dòng)中出現(xiàn)了與晶體旋轉(zhuǎn)時(shí)不同的諸多流動(dòng)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(fù)到軸對(duì)稱的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)等。得出了流動(dòng)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(shí)驗(yàn)室模擬氣象現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)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(shí)的熔體流動(dòng)狀態(tài)區(qū)域圖。 (5) 提出了抵消摻雜物的分凝效應(yīng)，生長(zhǎng)均勻摻雜的砷化鎵單晶的雙坩堝熔體補(bǔ)充的改進(jìn)方法，并通過(guò)理論推導(dǎo)和數(shù)值計(jì)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(jìn)后的雙坩堝熔體補(bǔ)充方法能有效抑制生長(zhǎng)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(bǔ)充熔體出口位置、軸對(duì)稱流動(dòng)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(zhǎng)熔體高度易于控制，可操作性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。 (6) 實(shí)驗(yàn)研究了反應(yīng)物濃度、凝膠密度、生長(zhǎng)溫度、凝膠pH值等生長(zhǎng)參數(shù)對(duì)KClO<,4>晶體生長(zhǎng)的成核數(shù)目、大小、形狀及質(zhì)量的影響。尋找到了生長(zhǎng)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(xué)角度分析了過(guò)飽和度對(duì)晶體成核數(shù)的影響。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論了過(guò)飽和度對(duì)KClO<,4>晶體生長(zhǎng)形態(tài)的影響，并得出了KClO<,

9、4>晶體各晶面的顯露次序，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果一致，驗(yàn)證了PBC理論的正確性。 (7) 用AFM對(duì)凝膠法生長(zhǎng)的KClO<,4>晶體的最重要面——{001}面微觀形貌進(jìn)行了觀測(cè)。結(jié)果表明，在不同的過(guò)飽和度下，KClO<,4>晶體表現(xiàn)為不同的生長(zhǎng)機(jī)制，其中層核生長(zhǎng)機(jī)制的發(fā)現(xiàn)和提出還未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道；對(duì)二維成核晶體生長(zhǎng)機(jī)制，揭示了KClO<,4>晶體生長(zhǎng)中二維核的形狀和取向，及生長(zhǎng)臺(tái)階的取向；雜質(zhì)的存在將阻止臺(tái)階的向前推進(jìn)，并導(dǎo)致聚并臺(tái)