InSb晶体生长固液界面控制技术研究

在固液界面控制方面,对Si等成熟半导体的研究较多,而对锑化铟(InSb)材料的研究极少。对InSb晶体等径段生长过程中晶体拉速、转速和坩埚转速对固液界面形状的影响进行了模拟分析以及实际的晶体生长实验。结果表明,这三个生长参数对固液界面形状的平稳控制具有一定的效果。获得了平稳固液界面控制方法,为后续生长更低位错密度、更均匀径向电学参数分布的InSb材料打下了基础。     

拉晶转速的程控与测量

随着温度自动控制仪表的广泛使用,Nd:YAG、YAP晶体质量有了较大提高.但是,要使整根晶体都保持良好的光学质量仍存在一定的困难.这是由于在引上法生长激光晶体时,晶体转速的稳定直接影响晶体质量.为了保持固—液界面平坦,还需要在拉晶过程中使晶体转速在一定范围内缓慢变化.根据我所的实践,在～90转/分的恒定转速下,Nd:YAG、YAP晶体生长的固—液界面往往经历由凸到平、到凹的变化.而在凸和凹的固—液界面中不能得到光学均匀性良好的晶体.故采用变转速生长,即开始以80～100转/分下晶种,然后逐渐降慢转速,     

椭圆柱Bridgman炉生长Hg_(1-x)Cd_xTe晶体时固/液界面形状的数值模拟

用三维数值模拟方法研究了椭圆柱Ｂｒｉｄｇｍａｎ炉生长Ｈｇ１－ｘＣｄｘＴｅ晶体时固／液界面附近的温度分布，考察了安瓿位置、安瓿与炉膛直径相对大小以及炉膛温度分布等对固／液界面的影响情况．结果表明，椭圆柱Ｂｒｉｄｇｍａｎ炉内的特殊温度场分布有可能提高晶片上横向组分均匀性．     

用直拉法生长PbMoO_4晶体时的液流转换及对晶体完整性的影响

在不同的生长条件下进行了钼酸铅(PbMoO_4)晶体生长实验,研究了生长条件与固液界面附近液流状态的关系,以及液流状态对界面形状和晶体完整性的影响.实验表明PbMoO_4晶体生长过程中,界面形状经历了从凸到凹再凸的变化.这些变化是受固液界面附近液流状态的转换支配的.在等径生长过程中,固液界面附近的液流发生了从强迫对流占优势向自然对流占优势转换的现象.我们认为,这一现象是当格拉索夫数Gr随着液面下降熔体径向温差增加而增加到超过某一临界Gr数时产生的.液流的这一转换使得界面中心部位的生长速度迅速增加,产生了组分过冷或气泡、固体包裹物的集聚.我们利用增大熔体的径向温差并降低晶体的转数来降低强迫对流的强度,有效地抑制了固液界面附近液流转换,从而避免了上述缺陷的产生,提高了晶体完整性.研究表明维持生长过程中固液界面附近液流状态的稳定性是生长完整晶体的重要条件.     

碲锌镉晶体VGF法生长温场的梯度区高度设计研究北大核心CSCD

本文对不同梯度区高度的VGF法温场生长碲锌镉(CdZnTe)晶体过程进行了稳态和非稳态仿真模拟分析。研究发现,晶体生长等径初期界面凸度随着梯度区高度的增加而减小;等径末期界面凸度受梯度区高度的影响不大;界面的凸度与固液界面温度梯度变化率正相关。非稳态模拟结果显示,现有变温条件下,晶体生长过程中固液界面凸度存在先增大后减小的趋势,趋势转变点接近梯度区高度中点;界面形状的变化趋势受固液界面上生长速度分布直接影响;对比而言,10 cm高的梯度区更容易实现前中期固液界面凸界面的获得,利于形成高单晶率CdZnTe晶体。     

支撑结构对碲锌镉固液界面形状的影响

在晶体生长过程中,固液界面形状与界面附近热流的状态有关。影响固液界面附近热流方向的因素有外部温场分布和材料热导率等。总结了常用的固液界面控制方式,然后采用CGSim温场模拟软件对3种使用不同支撑结构的晶体的生长过程进行了模拟,并对籽晶区以及锥形区内部固液界面的形状进行了对比。结果显示,支撑结构对籽晶区及锥形区内部固液界面的控制影响较大;通过采用合适的支撑结构设计并选取合适材料,同时配合外部温场的调节,能够得到理想的凸形固液界面。     

Hg1-xMnxTe晶体的垂直Bridgman法生长系统温度场分析

利用ANSYS有限元软件,以实际炉膛内的温度分布为边界条件,分析了包括生长中的Hg0.9Mn0.1Te晶体和晶体生长炉在内的生长系统的温度场.结果表明,晶体、熔体、高压Hg蒸气和石英的存在,使炉膛内的温度分布趋于平缓.在气液(气固)界面、液固界面、石英坩埚顶部和底部,轴向温度出现转折.随着晶体的生长,固液界面的轴向温度梯度逐渐减小.当石英坩埚完全处于高温区或低温区时,所在位置的温度分布更均匀,但远离坩埚区域的温度场受到的影响很小.     

多晶硅铸锭温场分布的理论模拟与分析

采用二维轴对称近似的有限元法对DSS450型铸锭炉的温场分布进行理论模拟。对比分析了长晶过程中不同阶段的固液界面形状变化。随着长晶的持续进行,固液界面形状变得越平整,坩埚附近向内生长的晶体范围也变得越大。固液界面形状的变化会引起晶体生长方向的改变,出现晶体向内生长方式与向外生长方式的竞争现象,这种竞争的结果将导致位错、小晶粒的形成以及杂质的聚集。对硅锭中不同位置的硅片进行了电池试制,结果显示:位于硅块底部的硅片电池转换效率要高于位于硅块顶部的硅片电池转换效率;中央硅块的硅片电池转换效率要高于边缘硅块的硅片电池转换效率。最后模拟分析了工艺参数对固液界面形状的影响,并讨论了如何通过调整工艺参数来降低不同位置硅片间的质量差异。     

利用装置环形永磁场的直拉炉（PMCZ）生长单晶硅和掺锗硅晶体

设计了一种永磁（钕铁硼）环形磁场装置代替常规电磁场用于直拉炉生长单晶硅和掺锗单晶硅（PMCZ法）．磁力线呈水平辐射状均匀分布．只要磁场强度足够强,即可有效地抑制熔体中热对流和晶体旋转产生的离心强迫对流,从而有效地抑制了固液界面处的温度波动,降低以至消除微观生长速率的起伏,造成了一种类似于空间微重力环境下生长晶体的条件．在这种条件下,杂质和掺杂剂的运动方式受扩散规律控制．利用这种装置生长了掺锗（Ge∶Si重量比为1.0%,5.0%和10.0%）和不掺锗的硅晶体,获得了氧浓度较低,掺杂剂径向分布均匀性好的较高质量的晶体．该装置磁场强度可方便地通过调节磁环之间相对位置及磁环相对固液界面位置进行调控,满足不同工艺条件对不同的场强的要求．     

φ200mm太阳能电池用直拉硅单晶生长中导流系统的研究

利用数值模拟,对CZ硅单晶生长系统中导流系统调整和改进,得到不同导流系统下的氩气流场和全局温场. 研究发现在导流系统中引入导流筒及冷却功能后,氩气流场得到明显的改善,晶体中纵向温度梯度均匀性改善,固液界面趋于平坦,有利于结晶潜热的散发和单晶径向电阻率的均匀性. 研究表明改进导流系统能提高结晶潜热散发速率,有利于提高晶体拉速.     

固液界面附近CdZnTe晶体组份分布及X-Ray测试

利用对垂直布里奇曼Bridgman法生长中的Cd1-xZnxTe晶体停电自然降温的方法获得了具有不同凝固速率的同一块单晶样品.通过红外透射光谱测量方法对停电自然降温前后的单晶区域进行比较,结果显示：停电自然降温后,在固液界面附近存在一个明显的组份过度区,正常凝固的晶体组份分布比较均匀,而快速凝固的结晶区域轴向组份分布梯度较大,同时,通过X-Ray测试结果进一步准确判断固液界面的位置.     

10cm VGF法GaAs单晶生长过程中热应力的数值模拟

采用数值模拟技术模拟了10cm(4 in)VOF法GaAs单晶生长过程中的温场分布、固液界面形貌以及热应力分布.推导得到了固液界面形状与轴向温度梯度和径向温度梯度之间的关系,定义了一个固液界面形状函数,用以表征固液界面偏离度.固液界面偏离度可定义为晶体边缘和晶体中心轴向位置的差值.计算得到固液界面凹(凸)度的临界值,小于该值时,固液界面附近的热应力低于临界分解剪切应力(CRSS).模拟计算了两个时刻的晶体中的热应力分布:当偏离度大于临界值时,晶体中的热应力大于CRSS,反之,晶体中的热应力小于CRSS,验证了理论推导的结果.     

垂直布里奇曼法生长CdZnTe晶体时固液界面形状的控制

采用有限元法对探测器材料CdZnTe的晶体生长过程进行了热分析,研究了不同因素对生长过程中固液界面形状的影响.模拟结果表明,当坩埚下降速度约为1mm/h时,可获得接近水平的固-液界面.晶体生长实验结果与计算机模拟的结论基本一致.因此,通过适当选择和调节坩埚下降速度可获得高质量晶体.     

固液界面附近CdZnTe晶体组份分布及X2Ray测试

利用对垂直布里奇曼B ridgman法生长中的Cd1 - x Znx Te晶体停电自然降温的方法获得了具有不同凝固速率的同一块单晶样品。通过红外透射光谱测量方法对停电自然降温前后的单晶区域进行比较,结果显示:停电自然降温后,在固液界面附近存在一个明显的组份过度区,正常凝固的晶体组份分布比较均匀,而快速凝固的结晶区域轴向组份分布梯度较大,同时,通过X2Ray测试结果进一步准确判断固液界面的位置。     

碲溶剂法生长碲镉汞晶体的特点

本文扼要叙述碲溶剂法生长高质量、组分均匀的碲镉汞晶体的工艺;着重说明本法具有:降低长晶温度,减少爆炸;拉平长晶时的固-液界面,改善晶体径向均匀性和区域提纯而提高晶体本身纯度的作用。本法所生长的晶体结构较完整,晶体中段组分较均匀,晶体中段经一次退火后,在77 K下,电子浓度可达3×10~(14)厘米~(-3),其迁移率可达2×10~5厘米~2·伏~(-1)·秒~(-1)。用这种晶体可制成有较好性能的光导和光伏型红外探测器。     

恒组分提拉单晶炉的设计与研究

晶体生长过程中由于溶质"分凝现象"的存在,会造成生长出来的晶体沿轴向不均匀分布,从而制约了大尺寸、超长、高均匀性晶体的生长。因此,该文设计了晶体自动生长控制系统和料棒自动补充控制系统,以保证晶体生长液面的高度不变,以及棒料添加组分与晶体组分一致,从而克服晶体生长过程中"分凝现象"的影响,也为晶体生长界面形状的稳定性控制奠定了可靠的基础。     

垂直布里奇曼法生长CdZnTe晶体时固液界面形状的控制

采用有限元法对探测器材料 Cd Zn Te的晶体生长过程进行了热分析 ,研究了不同因素对生长过程中固液界面形状的影响 .模拟结果表明 ,当坩埚下降速度约为 1m m/ h时 ,可获得接近水平的固 -液界面 .晶体生长实验结果与计算机模拟的结论基本一致 .因此 ,通过适当选择和调节坩埚下降速度可获得高质量晶体 .     

布里奇曼法生长Cd_xHg_(1-x)Te的淬火研究

用布里奇曼法慢速生长Cd_xHg_(1-x)Tg(CMT)晶体时,快速淬火可以揭示出淬火时的固/液界面。通过腐蚀纵向剖面而显示出来的界面的形状和厚度,正如利用红外透射测量所确定的那样,与最终径向组分变化有关。在一次淬火的晶体界面上,看到了界面的特征可认为是扩散界层。用光学显微镜和电子微探针分析,确定了界面的厚度。实验结果表明,正如所料,熔体搅拌减小扩散界层厚度。     

重掺锑单晶硅及其掺杂和生长方法

叙述了生长重掺锑单晶硅的必要性,困难性和克服这些困难的方法;还叙述了生长重掺锑单晶硅时固-液界面对晶体生长的影响以及如何获得理想的界面形状,介绍了一些典型的晶体生长参数和掺杂方法;讲座了生长重掺锑单晶硅时的组分过冷以及避免的方法.还讨论了如何提高重掺锑单晶硅的晶体完整性,指出了生长重掺锑单晶硅的关键在于找到形成稳定固--液界面的条件,防止组分过冷的发生,为此,要使用较小的晶体生长速度,在较大的纵向温度梯度热场中生长晶体,此外,应在满足晶体电阻率要求的前提下,尽量使掺入锑量控制在最低限度.     

VB法生长CdZnTe晶体的放肩角度优化北大核心CSCD

基于有限元法构建了CdZnTe晶体生长模型,分析了不同放肩角度下固液界面的形态演变。模拟结果表明,放肩角度变化导致了放肩区域内温度梯度分布的变化,进而改变了该区段的固液界面形态。在60°/90°/120°/150°四种放肩角度中,120°能在放肩段得到最平坦的固液界面。随着生长进行,不同角度下固液界面的形态差异逐渐减小,在主体生长中所有界面形状趋于一致。根据模型参数进一步实施了CdZnTe晶体的生长实验,结果表明,在90°/120°/150°三种放肩角度中,120°放肩时晶锭头部的单晶率更高。