多孔石墨对碳化硅晶体生长影响的数值模拟研究

SiC是新一代射频器件和功率器件的理想材料，电阻式物理气相传输法由于具有温度均匀性，成为生长大尺寸SiC单晶的有效方法。近年来，多孔石墨等的使用提高了SiC晶体的质量和产量，而关于其机理的研究却相对较少。本文使用数值模拟的方法系统研究了多孔石墨对SiC晶体生长的影响，并进行了晶体生长验证。模拟结果表明：多孔石墨的使用提高了原料区域的温度及温度均匀性，增大了坩埚内轴向温差，对减弱原料表层的重结晶也具有一定作用；在生长腔内，多孔石墨改善了物质流动在整个生长过程中的稳定性，提高了生长区域的C/Si比，有助于减小相变发生概率，同时多孔石墨对晶体界面也起到改善作用。晶体生长结果实际验证了多孔石墨在提高传质均匀性、降低相变发生率和改善晶体外形上的作用。本文结果对于理解多孔石墨的作用机理以及改善SiC晶体生长条件具有实际意义。     

SiC籽晶背面镀膜对生长晶体品质的影响

在SiC单晶生长过程中,与籽晶背面升华有关的热分解腔等缺陷的形成严重影响了生长晶体的品质.本文介绍一种可以有效防止籽晶背面升华的预处理方法,即在粘贴籽晶之前,用直流反应溅射法在籽晶背面镀一层均匀、致密的耐高温薄膜TiN.实验结果表明,用这种方法生长的晶体中未发现热分解腔和六方空洞,而且微管密度也有所降低.     

紫外倍频新晶体K2Al2B2O7的合成与生长

本文以高温固相反应合成了K2Al2B2O7(KABO);以自发成核的方法探索了KABO晶体生长的助熔剂体系,NaF为KABO晶体生长的最适宜助熔剂体系,适宜配比为KABO∶NaF=1∶2,讨论了籽晶方向对晶体生长的影响,[110]方向是KABO晶体生长的最佳籽晶方向;运用顶部籽晶生长技术以NaF为助熔剂成功生长出尺寸达50mm×20mm×17mm,重30g的高光学质量透明单晶.     

KDP类晶体快速生长技术研究

概述了本课题组在KDP类晶体快速生长领域的研究及进展情况.通过集成生长设备的管道系统、升级连续过滤系统、研发晶体生长过程的实时监控系统以及高精度退火设备,实现晶体生长系统的集成化;通过数值模拟优化晶体表面流场状态、全流程量化控制实现晶体稳定生长以及精密热退火进一步提升晶体性能;针对点籽晶快速生长KDP类晶体中存在的柱锥交界面问题,相继提出了长籽晶锥区限制生长法和长籽晶自由生长法,为大尺寸高性能KDP类晶体生长提供新的技术方案.     

SiC晶体PVT生长系统的流体力学模型及其有限元分析

本文根据SiC晶体PVT生长炉的实际提出了生长系统温度场计算的流体力学模型,采用有限元法分析了生长腔内的热传导、辐射和对流对生长腔内和生长晶体中温度空间分布的影响.通过对生长腔内及生长晶体中温度瞬态和稳态分布的分析,得出在加热的初始阶段腔内气体对流对坩埚内的温度分布有较大影响,在系统热平衡后辐射对腔内温度分布起决定作用的结论.     

祖母绿晶体水热生长习性研究

本文研究了在水热条件下祖母绿晶体的生长习性,指出了祖母绿晶面的发育顺序,并用负离子配位多面体生长基元理论进行了解释,根据对晶体的不同用途结合晶体生长习性采用不同的籽晶切型,生长出了符合特殊形态要求的祖母绿晶体.     

蓝宝石晶体热性能的各向异性对SAPMAC法晶体生长的影响

采用有限元法对冷心放肩微量提拉法蓝宝石晶体生长过程中晶体内的温度、应力分布进行了模拟计算,结合实验结果讨论了蓝宝石晶体热性能的各向异性对晶体生长的影响.研究结果表明,对于冷心放肩微量提拉蓝宝石晶体生长系统,较大的轴向热导率有利于提高晶体的生长速率和界面稳定性,而稍大的径向热导率则有利于保持微凸的生长界面.晶体内的热应力受径向热膨胀系数的影响显著,随着径向热膨胀系数的增大而增大,最大热应力总是出现在籽晶与新生晶体的界面区域.在实验中选α轴为结晶取向,成功生长出了直径达230mm、高质量蓝宝石晶体.     

KDP晶体生长的溶液流动和物质输运计算

本文采用有限容积法,对KDP晶体生长过程中溶液的流动和物质输运进行了数值模拟.结果表明:随着入口溶液流动速度的增大,籽晶的上表面因自然对流而引起的抽吸作用减小,表面过饱和度的最小值沿x正向发生右移,其上表面的剪切力先减小后增大.随着入口溶液过饱和度的增大,籽晶上表面剪切力增大.不同尺寸的籽晶表面过饱和度的分布差异较大.籽晶的生长边界层厚度与溶液流动密切相关,入口溶液流动速度越大,厚度越小,但其受入口溶液过饱和度的影响较小.     

浸没籽晶法生长La2CaB10O19单晶的研究

采用浸没籽晶法以CaO-Li2O-B2O3为助熔剂生长出La2CaB10O19单晶.籽晶的方向对晶体质量有较大的影响.晶体结构导致生长出的晶体均呈现板状外形,并且容易沿(001)面解理;捆绑晶体的铂丝嵌入晶体加剧了晶体的解理.然而解理和铂丝嵌入对不同方向籽晶生长出晶体的质量影响各不相同,对于晶体生长过程溶质输运的影响也不相同,实验发现,[101]方向为本实验条件下最佳的晶体生长方向.     

不同籽晶对多晶硅晶体生长的影响

通过在坩埚底部铺设籽晶来控制形核的同步性,获得均一等大的硅晶粒,实验采用铺设硅粉、颗粒料、碎硅片三种籽晶来诱导硅晶体生长,结果表明硅粉籽晶生长硅晶体晶粒均匀性最好.采用硅粉籽晶所生产硅锭效率比碎硅片籽晶高0.3;.     

大尺寸电阻加热式碳化硅晶体生长热场设计与优化

大尺寸低缺陷碳化硅(SiC)单晶体是功率器件和射频(RF)器件的重要基础材料,物理气相传输(physical vapor transport, PVT)法是目前生长大尺寸SiC单晶体的主要方法。获得大尺寸高品质晶体的核心是通过调节组分、温度、压力实现气相组分在晶体生长界面均匀定向结晶,同时尽可能减小晶体的热应力。本文对电阻加热式8英寸(1英寸=2.54 cm)碳化硅大尺寸晶体生长系统展开热场设计研究。首先建立描述碳化硅原料受热分解热质输运及其多孔结构演变、系统热输运的物理和数学模型,进而使用数值模拟方法研究加热器位置、加热器功率和辐射孔径对温度分布的影响及其规律,并优化热场结构。数值模拟结果显示,通过优化散热孔形状、保温棉的结构等设计参数,电阻加热式大尺寸晶体生长系统在晶锭厚度变化、多孔介质原料消耗的情况下均能达到较低的晶体横向温度梯度和较高的纵向温度梯度。     

Numerical analysis of the velocity of SiC growth by the top seeding method

Velocity of crystal growth of SiC in a process of solution growth was studied on the basis of a global model of heat and mass transfer in conjunction with a phase diagram of the Si–C system. The growth rate was estimated by flux of carbon to a seed crystal. The results of calculation showed that growth velocity was increased when temperature of a seed crystal was increased. The temperature dependence of growth velocity was mainly determined by the phase diagram of the Si–C system, although the flow pattern was slightly modified by changing temperature distribution in the furnace.     

SiC籽晶表面状态对晶体质量的影响

为了研究表面状态对晶体质量的影响,本文分别采用腐蚀后抛光与未抛光的晶片作为籽晶,利用金相显微镜对所得晶体进行了显微观察,结果表明:经过腐蚀后抛光的籽晶生长出的晶体质量高于未抛光籽晶所得晶体;生长前端的位错尺寸以及数量小于未抛光籽晶,说明抛光去除了部分表面浅的缺陷腐蚀坑,同时减小深腐蚀坑的尺寸,使得籽晶生长表面的缺陷密度和尺寸大大降低,有助于减少后期生长的晶体中的缺陷密度,提高结晶质量.     

Numerical simulation of a new SiC growth system by the dual-directional sublimation method

A new SiC growth system using the dual-directional sublimation method was investigated in this study. Induction heating and thermal conditions were computed and analyzed by using a global simulation model, and then the values of growth rate and shear stress in a growing crystal were calculated and compared with those in a conventional system. The results showed that the growth rate of SiC single crystals can be increased by twofold by using the dual-directional sublimation method with little increase in electrical power consumption and that thermal stresses can be reduced due to no constraint of the crucible lid and low temperature gradient in crystals.     

PVT法生长大直径6H-SiC晶体感应加热对系统的影响

采用有限元分析法系统地研究了大尺寸6H-SiC晶体PVT法生长装置中感应加热线圈的不同高度和匝间距对生长腔、粉源以及晶体生长温度场的影响;分析比较了线圈不同高度和匝间距时晶体生长面径向温度梯度的变化.结果表明:在中频电源的输出功率和频率固定,盲孔内径不变的情况下,通过调整线圈匝间距和高度可以减小晶体生长面径向温度梯度,改善晶体的质量,同时又有较高的生长速率.     

高分辨X射线衍射法研究碳化硅单晶片中的多型结构

我们采用高分辨X射线衍射法对SiC单晶片中的多型结构进行了研究,研究发现在以4H-SiC为籽晶的晶体生长过程中,4H-SiC、6H-SiC、15R-SiC出现两相共存或三相共存现象.在单相、两相或三相共存区,X射线摇摆曲线具有明显不同的特征.根据多型结构,可以对摇摆曲线中的衍射峰进行鉴定.     

高温溶液法生长SiC单晶的研究进展

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料,不仅禁带宽度较大,还兼具热导率高、饱和电子漂移速率高、抗辐射性能强、热稳定性和化学稳定性好等优良特性,在高温、高频、高功率电力电子器件和射频器件中有很好的应用潜力。高质量、大尺寸、低成本SiC单晶衬底的制备是实现SiC器件大规模应用的前提。受技术与工艺水平限制,目前SiC单晶衬底供应仍面临缺陷密度高、成品率低和成本高等问题。高温溶液生长(high temperature solution growth, HTSG)法生长SiC单晶具有晶体结晶质量高、易扩径、易实现p型掺杂等独特的优势,有望成为大规模量产SiC单晶的主要方法之一,目前该方法的主流技术模式是顶部籽晶溶液生长(top seeded solution growth, TSSG)法。本文首先回顾总结了TSSG法生长SiC单晶的发展历程,接着介绍和分析了该方法的基本原理和生长过程,然后从晶体生长热力学和动力学两方面总结了该方法的研究进展,并归纳了该方法的优势,最后分析了TSSG法生长SiC单晶技术在未来的研究重点和发展方向。     

SiC单晶生长热力学和动力学的研究

升华法生长大直径碳化硅(SiC)单晶一直是近年来国内外研究的重点,本文对Si-C系中的Si,Si2,Si3,C,C2,C3,C4,C5,SiC,Si2C,SiC2等气相物种的热力学平衡过程进行了研究,发现SiC生长体系中的主要物种为Si,Si2C,SiC2.生长初期Si的分压较高,从而SiC生长为富硅生长模式.对外加气体进行研究发现,氩气为最好的外加气体,它既可以有效地抑制Si物质流传输,又可以减缓扩散系数随温度升高而递减的趋势.建立了简单一维传输模型,对三个主要物种的动力学输运过程进行了研究,计算得到了两个温度梯度下的主要物种的物质流密度.     

The impact of pressure and temperature on growth rate and layer uniformity in the sublimation growth of AlN crystals

To effectively design a large furnace for producing large-size AlN crystals, a fully coupled compressible flow solver was developed to study the sublimation and mass transport processes in AlN crystal growth. Compressible effect, buoyancy effects, flow coupling between aluminum gas and nitrogen gas, and Stefan effect are included. Two sets of experimental data were used to validate the present solver. Simulation results showed that the distributions of Al and N₂ partial pressures are opposite along the axial direction due to constant total pressure and Stefan effect, with the Al and nitrogen partial pressures being highest at the source and seed crystals positions, respectively. The distributions of species inside the growth chamber are obviously two-dimensional, which can curve a flat crystal surface. Simulation results also showed that AlN crystal growth rate can be increased by reducing total pressure or by increasing seed temperature or by increasing source-seed temperature difference. High nitrogen pressure causes decrease in growth rate, but it is beneficial for obtaining uniform growth rate in the radial direction. Results of simulation also showed that there is an optimized temperature difference (40 °C) in the present furnace for obtaining good homogeneity of growth rate.