泡生法藍寶石晶體生長中固液界面形狀的數(shù)值模擬研究.pdf

1、藍寶石晶體作為高亮度GaN基發(fā)光二極管的襯底材料，具有廣闊的市場前景及重要的科學研究價值。由于天然藍寶石數(shù)量稀少，化學成分純度不高且成本昂貴，因而不能被工業(yè)上廣泛使用。人造藍寶石具有優(yōu)良的熱學性能、光學性能和力學性能，能夠滿足工業(yè)上的使用要求。由于藍寶石晶體的生長過程耗時、耗能、成本高，現(xiàn)階段人們利用數(shù)值模擬與實驗長晶相結合，目的是提高晶體質量，降低試驗成本，并節(jié)約長晶時間。
　　 本文首先介紹了泡生法藍寶石晶體生長過程，并結合

2、傳熱傳質和流體力學方程組，建立了晶體生長的數(shù)學模型，然后應用晶體生長模擬軟件CGsim，對泡生法藍寶石晶體生長過程各個階段的溫場及流場作了模擬及分析。模擬發(fā)現(xiàn):晶體生長過程中，坩堝壁面和靠近固液界面處熔體內等溫線分布較密集，意味著溫度梯度較大，這是由于熔體被坩堝側壁加熱以及結晶潛熱通過籽晶桿熱交換器帶走引起的。熔體內等溫線受熔體對流的影響發(fā)生扭曲，靠近坩堝底部熔體內的等溫線分布較稀疏，其溫度與側壁熔體溫度相比較低。由此看出坩堝底部對熔體

3、的加熱作用不明顯。隨著晶體高度的增加，熔體對流狀態(tài)由放肩階段的兩個渦胞變成等徑階段的一個渦胞，熔體對流變得更加均勻，熔體平均溫度有小幅度下降。
　　 在泡生法藍寶石單晶生長中，固液界面形狀對晶體生長質量影響極大。本文針對泡生法藍寶石晶體生長的固液界面形狀進行了數(shù)值模擬，研究了晶體半透明性、放肩角、底部鉬屏保溫層厚度、加熱器側部和底部功率分配比、生長速率等對固液界面形狀的影響。模擬結果發(fā)現(xiàn):不考慮藍寶石晶體的半透明性，則固液界面凹