泡生法生长蓝宝石晶体中固液界面形状的数值模拟研究

在泡生法蓝宝石单晶生长中,固液界面形状对晶体生长质量影响极大.本文针对泡生法蓝宝石晶体生长进行数值模拟,研究了晶体半透明性、放肩角、底部钼屏保温层厚度、加热器侧部和底部功率分配比等对固液界面形状的影响.模拟结果发现:不考虑蓝宝石晶体的半透明性,则固液界面凹向熔体生长,反之则固液界面凸向熔体生长;放肩角增大、底部钼屏保温层增厚,都造成固液界面凸度减小;加热器侧部与底部的功率比增大,则固液界面凸度增大.实际的固液界面形状取决于多种参数的综合作用.     

一种多喷淋头式MOCVD反应器的设计与数值模拟

提出了一种多喷淋头式MOCVD反应器.针对新型反应器,对GaN生长的MOCVD过程进行了数值模拟,模拟考虑了热辐射和化学反应,计算了反应器内流场、温场和浓度场,导流(筒)壁面的寄生沉积以及GaN生长速率,并分析了反应室几何因素对生长均匀性的影响.模拟结果显示,衬底表面大部分区域具有均匀的温场和良好的滞止流.通过对浓度场和GaN生长速率的分析,得出MMGa是薄膜生长的主要反应前体.通过对反应器高度H、导流筒与托盘间距h、导流筒半径R等参数的优化,给出了提高薄膜生长速率和均匀性的条件.     

泡生法生长蓝宝石单晶的热场改进与模拟优化

在泡生法蓝宝石单晶生长中,单晶炉内的热场对晶体质量至关重要.本文首先对单晶炉的顶部热屏、环形加热器和炉底保温进行了改进,然后结合计算机数值模拟,对热场改进前、后晶体的轴向和径向温度梯度、晶体表面温度分布、加热器功率等进行分析对比.结果表明:改进后的倾斜热屏增强了单晶炉内的辐射传热,对已生长出的晶体起到了后热作用,降低了晶体内的热应力;对加热器和底部钼保温层的改进,减小了加热器与坩埚间的热阻,增强了炉内的保温作用,使加热功率降低了约8%.     

氟化钙单晶炉温场的计算机模拟及改进

对氟化钙晶体生长炉的顶部保温、加热器和下保温装置进行了改进研究.结合数值模拟,对改进前后晶体的轴向温度梯度、径向温度梯度和固液界面附近温度分布进行了对比分析.模拟结果表明,改进了顶部保温后增加了晶体炉内的辐射传热,有效降低了温度梯度,减小了晶体内热应力从而避免了晶体开裂;对加热器和底部保温进行改进后,减少了坩埚底部的热损失,相同温度时降低了加热功率.     

径向流动MOCVD输运过程的数值模拟和反应器优化

针对三重进口径向流动行星式MOCVD反应器的输运过程进行二维数值模拟研究,探讨有关行星式反应器流道高度和托盘直径能否继续扩大,如何控制基片上方温场和浓度场为最佳分布这样一些本质问题,同时寻找反应器的优化条件.模拟结果发现:(1)通过对反应器形状进行优化,使进口处流道趋向于流线的形状,可以大大地削弱甚至消除由流道扩张引起的涡旋;(2)在影响对流涡旋的几何参数中,反应腔高度起主要作用,而反应腔直径影响较小.对于优化后的反应器,发生对流涡旋的临界高度提高到2～2.5cm,对应的反应器直径增加到40cm;(3)在相同温差、不同衬底温度的条件下,反应器内的流动形态不同.衬底温度高,对流涡旋较弱;衬底温度低,对流涡旋较强.其原因在于气体的粘滞力随温度升高从而抑制了浮升力的作用;(4)衬底上方均匀的流场对应均匀的温场和较高的反应物浓度,热扩散则使TMGa在衬底处的浓度降低.     

反向流动垂直喷淋式MOCVD反应器生长GaN的化学反应数值模拟

本文提出了MOCVD生长GaN的表面循环反应模型,将该反应模型应用于作者新近提出的反向流动垂直喷淋式反应器,进行三维数值模拟.得出反应器内流速、温度和TMGa浓度分布,以及GaN的生长速率分布.将此计算结果与传统的反应器情况进行对比,发现在相同参数情况下,两种反应器的衬底上方温度分布都比较均匀,近衬底处温度梯度较大,高温区域被压制在离衬底较近的区域,流线均比较平滑,在衬底上方没有明显的旋涡;新型反应器内反应气体在近衬底处的浓度均匀性以及GaN在基片表面的沉积均匀性都优于传统反应器,但沉积速率小于后者,大约只有后者的1/2.     

大晶粒多晶硅铸锭生长的热场设计与模拟

为了生长大晶粒的多晶硅铸锭,晶体从形核到后续生长的热场环境控制至关重要.本文首先在侧加热器与散热块之间加一可移动的隔热环.通过向上移动隔热环,并在底部喷射氩气冷却,对生长工艺进行优化控制.然后利用数值模拟,对改进后的生长界面形状、晶体和熔体中的等温线、晶体和熔体的轴向温度分布以及冷却量对生长环境的影响进行分析.模拟结果表明:冷却速率的最佳值在5 ～ 15 W/m2之间,且优化后的晶体和熔体中等温线更平坦,晶体轴向温度梯度增大约1.72 K/cm,从而可有效地避免侧壁形核,促进大晶粒的生长,同时提高了生长速率.     

管道热丝CVD金刚石膜反应器温度场的数值计算

在热丝化学气相沉积(HFCVD)金刚石膜的传统管道反应器中,对不同传热机制下管道壁温度场的空间分布进行了模拟计算.结果表明,管道壁温度场在纯热辐射机制作用下的分布很不均匀;在绝热和恒温的边界条件下考虑热传导作用后,管道壁温度分布的均匀性大大提高;进一步的热对流作用仅提高管道壁的总体温度,并不显著改变管道壁温度场的均匀性分布.     

垂直式MOCVD反应器中热泳力对浓度分布的影响分析

从分子动力学理论出发,推导出垂直式MOCVD反应器中热泳力和热泳速度与温度、温度梯度、压强、粒子直径的关系式,以及热泳速度与扩散速度、动量速度平衡时的关系式.在典型的生长条件下,计算得到在温度T=605K时,热泳速度与扩散速度、动量速度动量平衡,TMGa浓度达到最大.然后在不考虑化学反应和考虑化学反应两种情况下,针对垂直式MOCVD反应器内的热泳力对粒子浓度分布和沉积的影响进行数值模拟,模拟给出反应粒子在反应器不同进口温度、衬底温度时的温度分布、浓度分布和反应速率.并与文献中的实验值进行对比,模拟结果与实验值有很好的吻合.     

大尺寸HVPE反应器寄生沉积的数值模拟研究

在氢化物气相外延(HVPE)生长GaN厚膜中,反应腔壁面总会产生大量的寄生沉积,严重影响薄膜生长速率及质量.本文针对自制的大尺寸垂直式HVPE反应器,通过数值模拟与实验对比,研究了反应腔壁面沉积以及GaN生长速率的分布规律,特别是寄生沉积分布与载气流量的关系.研究发现:在基准条件下,顶壁寄生沉积速率由中心向边缘逐渐降低,与实验结果吻合;侧壁沉积出现8个高寄生沉积区域,对应喷头边缘处排布的GaCl管,说明沉积主要取决于GaCl的浓度输运;模拟得出的石墨托表面生长速率低于实验速率,但趋势一致.保持其他条件不变,增大NH3管载气N2流量,顶壁和侧壁的寄生沉积速率及分布区域均随之增大,石墨托表面生长速率随之减小而均匀性却随之提高;增大GaCl管载气N2流量,顶壁和侧壁的寄生沉积速率及分布区域均随之减小,石墨托表面生长速率随之增大而均匀性却随之降低.研究结果为大尺寸HVPE反应器生长GaN的工艺优化提供了理论依据.