一个实用的生产用Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料Turbo-Disc MOCVD生长模型

在MOCVD质量控制生长模式下,通过分析Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料在衬底表面的反应过程,建立了一个实用的生长模型.此模型是基于分子动力学、化学反应热力学理论分析之上的.针对Turbo-Disc 反应体系,分析了Turbo-Disc 的传热以及质量传送模式后, 建立了Turbo-Disc的生长模型.在此模型中建立了输入反应室的参数(IPs)和边界层的生长参数的关系.在对组分匹配的GaInP/GaAs 三组分生长体系进行分析时,发现此模型是非常有效的,理论计算的结果与实验得到的结果非常吻合.应用此模型在实际生产中可以迅速地得到匹配的多组分外延层.     

固态源分子束外延法生长InGaP/GaAs异质结构的热力学分析

本文建立了采用分子束外延法制备InGaP/GaAs异质结构的热力学模型,其中考虑了两个重要的因素,由晶格失配引起的内在应力和InP的脱附.所得到的模型与现有实验结果匹配较好.该模型的实验结果表明在InGaP的生长过程中,生长温度,In/Ga束流比及合金组分之间的相互关系,同时也与实验数据相吻合.该模型对于其他气相沉积生长方式也具有一定的适用性.     

热丝化学气相法生长单晶金刚石颗粒的衬底温度场仿真及实验研究

本文使用金刚石磨料作为晶种颗粒,通过热丝化学气相法生长出单晶金刚石颗粒,并且建立三维的有限元模型,利用有限元仿真分析了生长过程中影响金刚石磨料生长速率以及沉积质量的各种因素,如热丝的排列方式,衬底的温度场,以及晶种的分布方式.通过固定在热丝CVD反应腔里的热电偶测量了实际的衬底温度分布,从而验证了仿真结果的正确性.另外,通过改变仿真模型优化了沉积单晶金刚石颗粒的工艺参数,获得适应于合成单晶金刚石颗粒的新技术,为化学气相沉积合成单晶金刚石颗粒奠定了基础,也为高温高压金刚石磨料品级的改进与提高提供了新途径.     

生长条件对AlGaN/GaN HEMT势垒层表面形貌及二维电子气迁移率的影响

使用金属有机化学气相沉积法生长了AlGN/GaN高电子迁移率晶体管.研究了生长压力和载气组分对AlGaN势垒层及AlGaN高电子迁移率晶体管二维电子气迁移率的影响.原子力显微镜(AFM)光谱和SEM-EDS用于表征外延层的质量.结果表明随着反应室压力从50torr提高到200torr,AlGaN势垒层的表面形貌先变好,随后开始变差.在反应室压力100torr情况下得到最好的表面形貌.同时发现在生长AlGaN势垒层时,同时适当的氢气会提高AlGaN层的质量.在反应室压力100torr、氢气组分59;时得到AlGaNHEMT的最大二维电子气迁移率为1545 cm2/V·s.     

化学计量比LiNbO3晶体宏观生长缺陷的观察

本文对采用双坩埚提拉法(DCCZ)生长的化学计量比LiNbO3晶体中出现的机械双晶、组分过冷、包裹体等宏观生长缺陷进行了观察和分析.结果表明机械双晶通常以{102}和{104}面族为双晶面,而不是以前文献报道的{102}和{012}面族;化学计量比LiNbO3晶体双坩埚提拉法生长与同成份晶体生长不同,前者是助熔剂生长体系,生长速度稍快或温度较小的波动就会导致组分过冷,而后者属于纯熔体生长体系,不容易产生组分过冷;包裹体是由于组分过冷生长时界面失稳夹入熔体所造成的.由于这些缺陷的存在都会严重影响单晶的获得率和质量,为此,我们通过大量实验研究后提出了可以减少和避免这些生长缺陷提高晶体质量的方法.     

移动加热器法生长碲锌镉晶体的组分输运与界面形貌研究

移动加热器法(THM)生长碲锌镉晶体时,界面稳定性对晶体生长的质量有很大影响。本文基于多物理场有限元仿真软件Comsol建立了THM生长碲锌镉晶体的数值模拟模型,讨论了Te边界层与组分过冷区之间的关系,对不同生长阶段的物理场、Te边界层与组分过冷区进行仿真研究,最后讨论了微重力对物理场分布的影响,并对比了微重力与正常重力下的生长界面形貌。模拟结果表明,Te边界层与组分过冷区的分布趋势是一致的,在不同生长阶段,流场中次生涡旋的位置会发生移动,从而导致生长界面的形貌随着生长的进行发生变化,同时微重力条件下形成的生长界面形貌最有利于单晶生长。因此,在晶体生长的中前期,对次生涡旋位置的控制和对组分过冷的削弱,是THM生长高质量晶体的有效方案。     

加高喷头MOCVD压强对生长影响的研究

以低速旋转、加高喷头、垂直喷淋的MOCVD反应室为对象,运用三维数学输运模型分析与计算.在模拟过程中分析了压强的变化对高喷头反应室流场的影响,着重分析与讨论了操作压强变化与GaN薄膜的沉积一致性及平均生长速率的关系,其次探讨了实验值与模拟值对比结果,从而对薄膜的均匀性及平均生长速率进行一定的预测,最终得到以基准工艺参数为前提的最佳压强设定范围为6650～13300 Pa.模拟跟实验结果表明:减小压强有利于薄膜的均匀性,压强较大时,平均生长速率大,但压强较大时极易引起流场不稳.     

提拉法生长KTa_(1-x)Nb_xO_3晶体的组分均匀性研究

本文报道了使用提拉法在KNbO3-KTaO3固熔体体系中生长立方相KTa1-xNbxO3(KTN)晶体的工艺。从理论上分析了影响KTN晶体均匀性的主要原因为熔体组分和生长温度,并根据KNbO3-KTaO3固溶体相图分析了晶体组分变动和生长温度的定量关系;对相同组分熔体体系中生长出的不同尺寸KTa0.64Nb0.36O3晶体的均匀性测试表明,采用大坩埚生长小晶体的工艺方法可有效改善KTN晶体的均匀性。     

近化学计量比铌酸锂晶体组分测定与缺陷观察

采用助熔剂提拉法生长得到近化学计量比LiNbO3晶体.用多种方法测定了晶体组分,结果表明生长得到的晶体中[Li2O]含量为49.80;摩尔分数;对晶体缺陷的研究表明晶体质量有待提高,并分析了晶体中出现包裹物的原因.     

软轴型单晶炉提拉系统的振动建模与分析

当软轴型单晶炉提拉系统工作在某一转速附近时,其重锤摆动量会显著增大,严重影响单晶生长质量.为解决此问题,需要建立该系统的数学模型来研究提拉系统的动力学特性.本文在对提拉系统工作原理分析的基础上,应用Lagrange第二类方程建立了考虑该系统面内、面外振动的四自由度非线性振动微分方程.导出了该非线性模型的近似线性模型,对非线性模型响应与线性模型响应做了比较.进一步分析了系统的稳定性,应用Campbell图得到了考虑回转惯性效应后系统的临界转速.通过数值仿真定量说明了减小对中误差和增大阻尼可以减小重锤系统最大摆动幅值.     

SiC晶体生长中气相组分输运特性

针对物理气相传输(PVT)法生长碳化硅(SiC)晶体,建立了一个二维生长动力学模型研究SiC生长腔内气相组分输运特性,该模型考虑了氩气与气相组分之间的流动耦合,Stefan流和浮力影响.研究表明:在压力较低的情况下,自然对流对气相组分的输运过程影响很小,可以忽略,而当压力增高时,自然对流强度显著增大,不可忽略.其次,随着生长温度升高对流的作用增强,生长腔内输运过程由扩散向对流转变,最终对流主导组分的输运过程.随着压力升高对流作用减弱,扩散为气相组分主要输运方式.     

结构参数对阵列式碳纳米管吸波性能的影响

基于传输线理论和碳纳米管的等效电路模型,建立了阵列式碳纳米管吸波涂层的传输线模型,推导出碳纳米管的结构参数与涂层反射率的关系式,并用MATLAB作出了反射率与碳纳米管结构参数间的曲线图.通过反射率与涂层厚度关系的曲线分析,得出了计算结果与文献的实验结果能较好吻合的结论;通过反射率曲线图的研究,得到了涂层厚度和碳管间距是控制吸收强度的主要参量,而碳管长度和碳管管径是控制吸收峰值位置的主要参量等结论.     

β′-Gd2(MoO4)3晶体生长中的过冷现象研究

对电阻加热引上法和感应加热引上法生长β′-Gd2(MoO4)3晶体的实验结果进行了比较,分析了两种方法生长晶体过程中熔体过冷和组分过冷的情况.研究认为组分过冷主要与生长过程中MoO3的挥发、Gd2(MoO4)3熔体的粘度及固液界面的温度梯度有关,并认为感应加热引上法较之电阻加热引上法容易得到优质晶体.     

基于神经网络和遗传算法的铸锭晶体硅质量控制及工艺优化

铸锭晶体硅是太阳能级晶硅材料的重要来源之一,为了进一步降低硅片成本,需要在保证晶体质量的同时发展大尺寸铸锭晶硅。影响铸造晶体硅质量的热场控制核心参数包括晶体生长速度与生长界面温度梯度之比V/G、壁面热流q、生长界面高度差Δh和硅熔体内部温差ΔT等。针对铸锭晶体硅生长过程中的质量控制问题,本研究基于人工神经网络(ANN)模型对晶体生长过程建立了工艺控制优化方法,利用实验测量数据和数值仿真模拟结果构建铸锭晶体硅生长过程的工艺控制数据集,以底部隔热笼开口和侧、顶加热器功率比作为主要工艺控制参数,V/G、|q|、|Δh|和ΔT为优化目标,建立用于研究晶体生长工艺控制参数和热场参数之间映射关系的神经网络模型。使用训练完成的模型分析底部隔热笼开口及侧、顶加热器功率比对晶体生长过程热场的影响规律,并采用遗传算法(GA)对铸锭晶体硅生长过程的工艺控制参数以提高晶体质量为目标进行优化,最后结合实际生产中的检测图像讨论了V/G对晶体质量的影响。研究表明晶体生长中期的V/G沿横向变化较平缓,对应缺陷较少且分布均匀,因此增大V/G在横向上的均匀度也是提高晶体质量的一个重要因素。     

VGF法磷化铟单晶炉加热器对炉内热场分布影响的研究

磷化铟(InP)是一种重要的化合物半导体,在通信、航空航天和人工智能等领域具有广泛的应用。InP单晶生长质量的优劣取决于其生长炉内热场的稳定与温控。InP晶体工业生产中广泛采用的垂直梯度凝固(VGF)法是在磷化铟单晶生长炉中构建高温、封闭、稳定及可控的热场,但因炉内缺乏直接观测和完整的参数监测手段,利用计算机数值仿真对炉内晶体生长的温度场进行科学分析,以获取最佳的生长温控条件,俨然成为有效且重要的方法。本文基于ANSYS有限元软件及炉内元件实测参数,建立了InP单晶生长系统热场三维物理和数学模型,基于磷化铟单晶生长过程中的温度离散数据,对所建模型对比和验证,获得了与实际生产温度数据吻合良好的效果(温度偏差控制在3%以内),验证了所建模型的有效性。基于此模型,本文对生产条件下四段加热器温度波动对热场分布影响进行了探讨,并对炉内四段加热器的温度波动对炉内低温区、高温区及料管中心温度影响规律进行了研究,所得结论对揭示工业生产过程中InP单晶炉热场的分布规律及调节方法具有一定的指导意义。     

基于建模与优化的MOCVD温度均匀控制

为了提高MOCVD反应室衬底温度均匀性,提出一种基于建模和优化的控制策略.采用神经网络建立反应室温度特性模型,得到输入功率与反应室衬底温度场之间的关系,在此基础上,以温度均匀性为性能指标,采用仿生优化算法对输入功率配比进行优化,实现MOCVD反应室衬底温度的均匀控制.仿真结果验证了所提出方法的有效性.     

合成β-SiCw的催化剂熔球机理研究

本文用扫描电镜(SEM)研究了合成β-SiCw的反应过程和晶须的生长机理.通过对催化剂熔球的元素含量分析,发现β-SiCw的形成过程属气-液-固(VLS)三相反应过程,反应体系中含硅、碳的物质熔解在催化剂熔球中反应生成SiC,SiC在催化剂熔球的定向修正作用下沿(111)面结晶形成β-SiCw.用此方法合成β-SiCw反应速度快,晶须质量好,晶须生成率高.     

β‘—Gd2（MoO4）3晶体生长中的过冷现象研究

对电阻加热引上法和感应加热引上法生长β‘-Gd2(MoO4)3晶体的实验结果进行了比较，分析了两种方法生长晶体过程中熔体过冷和组分过冷的情况。研究认为组分过冷主要与生长过程中MoO3的挥发，Gd2(MoO4)3熔体的粘度及固液界面的温度梯度有关，并认为感应加热引上法较之电阻加热引上法容易得到优质晶体。     

新型非线性光学晶体BaAlBO3F2的生长及组分挥发的研究

采用高温熔液法生长BaAlBO3F2晶体(简称BABF)时,组分挥发严重.本文分析了晶体生长前后的组分中相关元素的重量损失,发现易挥发的物质可能是硼的氧化物和氟化物;X射线衍射分析确定挥发物中还含有少量的NaCl.通过改变助熔剂与熔质的配比,明显降低了晶体的生长温度,减少了组分挥发,优化了晶体生长条件,得到24mm×20mm×6mm尺寸的晶体.     

钙钛矿型氧化物BaBO3-δ （B=Fe、Co、Nb）电子结构和氧空位形成能的第一性原理研究

基于第一性原理的密度泛函理论,分别对钙钛矿型氧化物BaFeO3、BaCoO3和BaNbO3的电子结构和氧空位形成能进行了理论模拟,经优化后得到的晶胞参数与实验文献值吻合良好。通过比较密度泛函理论计算得到的晶格能和氧空位形成能,发现体系稳定性表现为BaCoO3相似文献