LEC法生长GaAs、InP晶体及LEFZ法生长GaAs晶体中热应力分布

论文摘要

化合物半导体材料GaAs 和InP 是微电子和光电子的基础材料。晶体中的位错会大大降低晶体的电学和光学性能。位错的产生归结于由温度梯度引起的热应力。采用有限单元法数值求解了LEC 法生长GaAs、InP 晶体以及LEFZ 法生长GaAs晶体中的热应力。GaAs、InP 晶体均假设为稳态轴对称下的线弹性体。分别研究了LEC 法生长出的GaAs 单晶中不同液封厚度(he),不同磁场强度(Hartmann 数,Ha),不同晶体转速(ωs)下的流动和传热所对应的热应力分布;研究了LEFZ 法生长出的GaAs 单晶中不同液封厚度(he),不同磁场强度(Ha),不同晶体转速(ωs)与进料棒转速(ωf)下的流动和传热所对应的热应力分布;也研究了LEC 法生长出的InP 单晶中不同液封厚度(he),不同磁场强度(Ha),不同提拉速度(Vs),不同晶体转速(ωs)以及不同坩埚转速(ωc) 下的流动和传热所对应的热应力分布。以上所提到的热应力计算均考虑了生长界面对应力的影响。通过绘制晶体中的等效应力(Von Mises)等值线图,直观反映出晶体中的热应力分布情况。所得到的结论如下: 1. LEC 法生长GaAs 单晶中热应力分布1) Von Mises 应力最大值出现在晶体外表面,不同情况下其大小不同,介于7.41MPa 和21.5MPa 间;2)液封内流动较弱时,Von Mises 应力最大值位于晶体外表面高于液封自由表面处;液封内流动较强时,应力最大值发生在液封内;3)靠近晶体外缘生长界面为凹界面且内凹显著时,应力最大值发生在液封内靠近生长界面处,且最大热应力值较大。生长界面形状对热应力分布和大小有显著的影响; 2. LEFZ 法生长GaAs 单晶中热应力分布1) Von Mises 应力最大值总出现在晶体侧壁。随着液封厚度的增加,晶体中应力最大值减小;随着晶体转速的增加,应力最大值略有增加;进料棒转速对应力最大值的影响不大;2)沿生长界面的应力分布,应力最大值和平均值与生长界面的形状有关。生长界面愈平,界面上的应力最大值和平均值愈小;界面变形愈大,界面上应力最大值和平均值愈大。与凸界面相比,凹界面会导致更大的生长界面的应力。3.LEC 法生长InP 单晶中热应力分布1)Von Mises 应力最大值的位置大多出现在生长界面靠近轴中心处。应力最大值主要受熔体与晶体之间换热量和生长界面的影响:随着液封厚度的增加,界面变形增大,但变形不明显,熔体与晶体之间的换热量减小,应力最大值随之减小;随着磁场强度的增加,熔体与晶体之间的换热量增加,生长界面由凸界面变

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 问题的提出
• 1.3 晶体生长概述
• 1.3.1 浮区法（Fz）晶体生长技术
• 1.3.2 液封直拉法（LEC）晶体生长技术
• 1.4 晶体中热应力研究现状
• 1.4.1 LEC 法生长GaAs、InP 晶体中热应力研究现状
• 1.4.2 Fz 法生长GaAs 晶体中热应力研究现状
• 1.5 本课题的研究内容
• 2 热弹性力学概述
• 2.1 引言
• 2.2 弹性力学简介
• 2.3 弹性力学基本方程
• 2.3.1 弹性力学方程的直角坐标形式
• 2.3.2 弹性力学方程的柱坐标形式
• 2.3.3 静力边界条件的直角坐标与柱坐标形式
• 2.3.4 位移法求解弹性力学方程
• 2.4 热应力的概念
• 2.4.1 线性热应力理论简介
• 2.5 热弹性力学基本方程
• 3 物理及数学模型的建立
• 3.1 引言
• 3.2 物理模型及相关假设
• 3.2.1 LEC 法生长GaAs、InP 晶体的物理模型及相关假设
• 3.2.2 LEFZ 法生长GaAs 晶体的物理模型及相关假设
• 3.3 计算所用到的物性参数
• 3.4 数学模型及其简化
• 3.4.1 控制方程组的描述
• 3.4.2 边界条件
• 3.5 控制方程组和边界条件的无量纲化
• 3.5.1 LEC 法生长GaAs、InP 晶体中热应力控制方程组与边界条件的无量纲化
• 3.5.2 LEFZ 法生长GaAs 晶体中热应力控制方程组与边界条件的无量纲化
• 4 数值求解
• 4.1 引言
• 4.2 有限单元法简介
• 4.3 数值计算方法
• 4.3.1 等参单元
• 4.3.2 单元矩阵的变换
• 4.3.3 单元变分计算方程
• 4.3.4 高斯数值积分
• 4.4 计算求解步骤
• 5 计算结果与分析
• 5.1 LEC 法GaAs 单晶生长中热应力分布
• e）下的热应力分布'>5.1.1 不同液封厚度（h_e）下的热应力分布
• 5.1.2 不同磁场强度（Ha）下的热应力分布
• s）下的热应力分布'>5.1.3 不同晶体转速（ω_s）下的热应力分布
• 5.2 LEFZ 法GaAs 单晶生长中热应力分布
• e）下的热应力分布'>5.2.1 不同液封厚度（h_e）下的热应力分布
• s）与进料棒转速（ω_f）下的热应力分布'>5.2.2 不同晶体转速（ω_s）与进料棒转速（ω_f）下的热应力分布
• 5.3 LEC 法InP 单晶生长中热应力分布
• e）下的热应力分布'>5.3.1 不同液封厚度（h_e）下的热应力分布
• 5.3.2 不同磁场强度（Ha）下的热应力分布
• s）下的热应力分布'>5.3.3 不同提拉速度（V_s）下的热应力分布
• s） 与坩埚转速下（ω_c）下的热应力分布'>5.3.4 不同晶体转速（ω_s） 与坩埚转速下（ω_c）下的热应力分布
• 6 研究结论及工作展望
• 6.1 LEC 法生长 GaAs 单晶中热应力分布
• 6.2 LEFZ 法生长 GaAs 单晶中热应力分布
• 6.3 LEC 法生长 InP 单晶中热应力分布
• 6.4 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书