王国斌
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左然
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徐谦
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李晖
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于海群
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陈景升
人工晶体学报
本文提出一种新的切向喷射式MOCVD反应器,反应气体从均匀分布于内壁的切向进口喷管喷入反应器,尾气从位于反应器中心的上方或下方出口排出.通过切向喷射,使气体发生人工可控的螺旋流,在水平方向逐渐旋转与加速,从而补偿反应物浓度从边缘进口到中心出口的沿程损失,以便获得均匀的薄膜沉积.针对新的反应器设计,结合GaN的MOCVD生长进行了三维数值模拟,确定了喷管夹角、喷管数目和反应器高度对生长区的温场、流场和浓度场的影响,优化了参数组合,并与传统的垂直喷射式反应器作了对比.此外,这款新型反应器能够摆脱复杂的托盘旋转系统.
关键词:
MOCVD反应器
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切向喷射
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中心出口
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螺旋流动
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数值模拟
苏文佳
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左然
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人工晶体学报
在CZ法生长太阳能级单晶硅中,单晶炉的导流筒、热屏和炭毡对晶体生长有很大影响.通过对上述三个部件进行改进优化,并通过数值模拟对优化前后晶体和熔体的热场、热屏外表面与石英坩埚内壁面之间的氩气流场以及晶体中的热应力进行分析,得出以下结论:石墨导流筒的引入减少了炉体上部的氩气流动涡胞,进而减少了SiO在单晶炉上部的沉积;优化后的热屏减少了加热器对晶体的烘烤,使结晶速率加快;优化后的侧壁炭毡阻止了加热器向上部的热损失.优化后在加热器功耗不变时,结晶速率至少可提高35%,而不增加宏观位错的发生概率.
关键词:
单晶硅
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数值模拟
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热屏
,
炭毡
王宝良
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左然
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孟素慈
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陈鹏
人工晶体学报
应用量子化学的密度泛函理论,对MOCVD生长GaN/AlN薄膜的反应路径进行理论计算和分析,特别是针对Ⅲ族TMX(X=Ga,Al)与V族NH3的反应路径与温度的关系进行研究.计算结果表明:当温度T≤473.15 K时,反应自由能△G＜0,TMX与NH3自发生成配位加合物TMX∶ NH3;当T≥573.15 K时,△G＞0,TMX∶ NH3将重新分解为TMX和NH3.在473.15 K≤T≤573.15 K区间,将存在△G=0,即加合反应达到平衡,反应为双向可逆.随着温度的升高,从加合物变为氨基物DMX∶ NH2的反应概率加大.TMX和MMX的直接热解反应均需要高温激活,而DMX变为MMX则较容易发生.当T＞873.15 K时,DMGa变为MMGa的热解反应将自发进行;当T＞1273.15 K时,DMAl变为MMAl的热解反应将自发进行.在自由基CH3参与下,TMX→DMX(X=Ga、Al)的能垒仅为TMX直接热解能垒的一半,约为30 ～ 40 kcal/mol;在自由基H参与下,TMGa和TMAl的热解反应能垒更低,约为16～ 20kcal/mol.因此,自由基H的产生将大大促进TMX的热解.
关键词:
AlN/GaN
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MOCVD
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密度泛函理论
,
化学反应路径
卢钦
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左然
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刘鹏
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童玉珍
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张国义
人工晶体学报
针对垂直转盘式MOCVD反应器生长AlN的化学反应-输运过程进行数值模拟研究,特别探讨了反应室高度、操作压强和加合物衍生的三聚物对AlN生长的化学反应路径的影响.研究结果表明,AlN在MOCVD生长中以Al(CH3)3和NH3的加合路径为主,Al(CH3)3的热解路径很弱;加合路径衍生的二聚物是薄膜生长的主要前体,三聚物是纳米粒子的主要前体;降低反应室高度,寄生反应减弱,热解路径加强,使生长速率增大;增大压强,寄生反应加剧,使生长速率下降;添加由三聚物参加的表面反应后,生长速率提高了近4倍,证明三聚物不参加薄膜生长,只是提供纳米粒子前体.
关键词:
MOCVD
,
化学反应
,
AlN
,
数值模拟
赵江
,
左然
,
刘鹏
,
童玉珍
,
张国义
人工晶体学报
对大尺寸氢化物气相外延(HVPE)反应器的流场和温场进行二维数值模拟研究,旨在提高托盘表面温度和温度分布均匀性.基准模拟显示,靠近喷头的加热器对托盘温度的影响大于底部加热器,随着加热器功率增大,温度分布均匀性变差.在基准模拟的基础上,提出在反应器底部设置隔热钼屏的托盘升温方法.优化后的模拟显示,托盘温度升高约48 K,而温度均匀性变化不大.在使用4层钼屏的基础上,通过在石墨托盘内部开圆柱槽,显著提高了托盘温度分布均匀性,并使温度进一步提升约5K.
关键词:
HVPE反应器
,
数值模拟
,
温场
汪传勇
,
左然
,
人工晶体学报
在泡生法蓝宝石单晶生长中,单晶炉内的热场对晶体质量至关重要.本文首先对单晶炉的顶部热屏、环形加热器和炉底保温进行了改进,然后结合计算机数值模拟,对热场改进前、后晶体的轴向和径向温度梯度、晶体表面温度分布、加热器功率等进行分析对比.结果表明:改进后的倾斜热屏增强了单晶炉内的辐射传热,对已生长出的晶体起到了后热作用,降低了晶体内的热应力;对加热器和底部钼保温层的改进,减小了加热器与坩埚间的热阻,增强了炉内的保温作用,使加热功率降低了约8%.
关键词:
泡生法
,
蓝宝石单晶
,
热场优化
,
数值模拟
杨琳
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左然
,
苏文佳
,
娄中士
材料导报
利用计算机模拟对泡生法蓝宝石单晶各生长阶段的热应力进行了分析,发现晶体中最大热应力位于籽晶与新生晶体交界处或靠近固液界面的晶体边缘,其次位于晶体肩部.在此基础上,针对某一生长阶段讨论了加热器位置和坩埚形状对晶体中热应力分布的影响.结果表明:固液界面处的热应力随着加热器轴向中点与熔体轴向中点的距离L的增加先减后增,当L为190mm时,晶体中热应力最小；随着坩埚底部倒角半径的增加,固液界面处热应力呈上升的趋势.
关键词:
泡生法
,
蓝宝石单晶
,
数值模拟
,
固液界面
,
热应力
徐楠
,
左然
,
何晓焜
,
于海群
人工晶体学报
对垂直转盘式MOCVD反应器生长GaN的气相化学反应路径进行研究.结合反应动力学模型,分别采用预混合进口但改变反应腔高度,以及采用环形分隔进口,对反应器的温场、流场和浓度场进行CFD数值模拟,由此确定反应器结构参数对化学反应路径的影响.通过观察主要含Ga粒子的浓度分布以及不同反应路径对生长速率的贡献,判断该反应器可能采取何种反应路径.研究发现,RDR反应器的主要反应路径是TMG热解为DMG,DMG为薄膜沉积的主要前体.反应腔高度变化对反应路径影响较小,但生长速率略有增大；当从预混合进口改为环形分隔进口时,生长更倾向于TMG热解路径,同时生长速率增大,但均匀性变差.
关键词:
生长速率
,
MOCVD
,
GaN
,
反应路径
于海群
,
左然
,
陈景升
,
彭鑫鑫
人工晶体学报
在MOCVD反应器中,针对GaN生长中的TMGa分子,推导出热泳力、热泳速度以及扩散速度的计算公式.在低温区,热泳速度大于扩散速度；在高温区则相反.影响热泳力的主要因素为温度梯度和分子直径.水平式反应器内,粒子同时受到热泳速度和扩散速度的影响.在只考虑组分输运以及包括化学反应等两种情况下,通过改变反应器上壁面温度,模拟得到水平式反应器中热泳力对沉积速率以及反应物粒子浓度分布的影响.并与文献中的实验数据对比,验证了模拟结果的正确性.结果显示,由于热泳力的影响,在相同操作条件下高温区H2等小直径粒子的质量分数增大、TMGa和NH3等大分子粒子的质量分数减小.从提高生长速率的角度,需减小上下壁面温度梯度；从沉积均匀性的角度,应使到达下游的反应粒子数增多,故需增大上下壁面温度梯度.
关键词:
MOCVD
,
热泳力
,
温度梯度
,
生长速率
,
数值模拟
季尚司
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左然
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苏文佳
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韩江山
人工晶体学报
铸锭中过高的杂质浓度是影响铸造多晶硅太阳电池效率的主要因素之一.本文通过数值模拟的手段研究了不同的表面涂层厚度和涂层渗透率对生长过程中O,C杂质的影响,研究表明涂层厚度能够很明显的降低晶体中O,C的含量.同时涂层的渗透系数越小,O,C杂质在晶体中的分布含量越低.
关键词:
铸造多晶硅
,
杂质传输
,
Si3N4涂层
,
数值模拟
