PVT法氮化铝晶体生长动力学及热应力建模与数值模拟研究

发布时间：2021-05-05 21:13

　　氮化铝（AlN）作为第三代宽禁带半导体材料,具有高禁带宽度（6.2 e V）、高热导率（340 W/（m?K））、高击穿场强（11.7 MV/cm）、良好的紫外透过率、化学和热稳定性等优异性能,是高温、高频、高功率电子器件以及高Al组分深紫外光电器件的理想衬底,如功率器件、深紫外发光二极管（DUV-LEDs）、紫外激光器、传感器等。物理气相传输法（PVT）被证明是一种用于生长大尺寸、高质量体块AlN单晶的最合理且最有前景的方法。尽管AlN晶体材料制备技术的研究与目前较为成熟的Si C衬底材料几乎同时起步于20世纪中后期,但AlN晶体生长具有高难度、高复杂性及高成本,近半个多世纪以来其晶体生长技术与工艺进展缓慢。由于在要求非常苛刻的晶体生长环境下开展相关实验被证明是耗时且非常昂贵,因此开展数值建模和仿真技术研究在大幅缩短研发周期及开发成本等方面具有重要意义。本文首先基于晶体生长动力学如热量传输、质量传输、气相流动等理论,采用有限元方法及C++语言自主开发了PVT法AlN晶体生长过程的对流、传质模拟仿真分析模块。基于开发的该模块,研究了坩埚位置及外形、升华界面对传质、气相流动、过饱和度及生... 

【文章来源】：上海大学上海市 211工程院校

【文章页数】：179 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
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第一章 绪论
    1.1 课题背景和选题意义
    1.2 氮化铝晶体及其研究概况
        1.2.1 氮化铝的晶体结构
        1.2.2 氮化铝晶体的物理化学性质
        1.2.3 氮化铝晶体的研究历程
        1.2.4 氮化铝晶体的应用
    1.3 PVT法生长氮化铝晶体
        1.3.1 生长原理
        1.3.2 生长技术
        1.3.3 氮化铝单晶生长面临的困难
    1.4 氮化铝晶体数值模拟仿真的研究概况
        1.4.1 PVT法生长AlN晶体数值模拟仿真研究概述
        1.4.2 氮化铝晶体数值模拟仿真面临问题
    1.5 论文的主要研究内容
第二章 PVT法氮化铝晶体模拟的数学模型
    2.1 引言
    2.2 氮化铝生长系统
    2.3 全局传热模型
        2.3.1 控制方程与边界条件
        2.3.2 FEMAG仿真软件模拟流程
    2.4 气流及生长动力学模型
        2.4.1 化学反应机制
        2.4.2 生长界面动力学分析
        2.4.3 气流与传质耦合模型
    2.5 热弹性应力模型
        2.5.1 控制方程及边界条件
        2.5.2 热驱动的位错及裂纹预测模型
    2.6 本章小结
第三章 有限元建模及数值求解
    3.1 有限元离散及数值求解
        3.1.1 等效积分形式及加权余量法
        3.1.2 浓度扩散方程离散化及数值求解
        3.1.3 Navier-Stokes方程离散化及数值求解
        3.1.4 热弹性应力方程离散化及数值求解
    3.2 几何模型与网格划分
    3.3 模拟物性参数的选取
    3.4 本章小结
第四章 PVT法氮化铝晶体生长的动力学模拟分析
    4.1 引言
    4.2 模块验证
    4.3 坩埚位置对氮化铝生长中传质及动力学影响
        4.3.1 模拟过程及温度场分布
        4.3.2 坩埚位置对Al分压及过饱和度的影响
        4.3.3 坩埚位置对生长速率及流场的影响
    4.4 坩埚形状对氮化铝生长中传质及动力学影响
        4.4.1 模拟过程及温度场分布
        4.4.2 坩埚形状对生长速率的影响
        4.4.3 坩埚形状对Al分压及流场的影响
        4.4.4 生长速率限制因素分析
    4.5 升华界面对氮化铝生长中传质及动力学影响
        4.5.1 模拟过程及温度场分布
        4.5.2 升华界面遮挡对生长速率的影响
        4.5.3 升华界面遮挡对Al分压及流场的影响
    4.6 本章小结
第五章 PVT法氮化铝晶体生长的热应力模拟分析
    5.1 引言
    5.2 各向异性应力模拟分析
        5.2.1 热场结构及模拟过程
        5.2.2 Von Mises应力(VMS)分析
        5.2.3 分解剪切应力(RSS)分析
        5.2.4 总分解剪切应力(TRSS)分析
    5.3 总分解剪切应力(TRSS)模拟优化
        5.3.1 模拟过程及温度场分布
        5.3.2 主滑移系的应力贡献
        5.3.3 长晶过程中TRSS应力演变
        5.3.4 加热器功率调配对生长速率及应力的影响
        5.3.5 晶体冷却过程中TRSS应力演变
    5.4 同质与异质长晶中应力模拟比较分析
        5.4.1 模拟过程及温度场分布
        5.4.2 VMS应力对比分析
        5.4.3 TRSS应力对比分析
    5.5 本章小结
第六章 结论与展望
    6.1 结论
    6.2 展望
参考文献
作者在攻读博士学位期间公开发表的论文
作者在攻读博士学位期间所作的项目
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]Preparation and characterization of AlN seeds for homogeneous growth[J]. Li Zhang,Haitao Qi,Hongjuan Cheng,Lei Jin,Yuezeng Shi.  Journal of Semiconductors. 2019(10)
[2]单晶生长用AlN粉料的烧结提纯工艺实验研究[J]. 汪佳,曹凯,刘理想,吴亮.  半导体光电. 2017(06)
[3]基于PVT法自发形核生长AlN晶体的研究[J]. 曹凯,汪佳,王智昊,任忠鸣,邓康,吴亮.  半导体光电. 2017(05)
[4]自发形核生长的AlN单晶湿法腐蚀研究[J]. 刘理想,曹凯,汪佳,任忠鸣,邓康,吴亮.  人工晶体学报. 2017(07)
[5]升华法制备m面非极性AlN单晶体的研究[J]. 武红磊,郑瑞生,李萌萌,闫征.  人工晶体学报. 2012(06)



本文编号：3170594