氮化鋁（AlN）作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料,具有高禁帶寬度（6.2 e V）、高熱導(dǎo)率（340 W/（m?K））、高擊穿場強(qiáng)（11.7 MV/cm）、良好的紫外透過率、化學(xué)和熱穩(wěn)定性等優(yōu)異性能,是高溫、高頻、高功率電子器件以及高Al組分深紫外光電器件的理想襯底,如功率器件、深紫外發(fā)光二極管（DUV-LEDs）、紫外激光器、傳感器等。物理氣相傳輸法（PVT）被證明是一種用于生長大尺寸、高質(zhì)量體塊AlN單晶的最合理且最有前景的方法。盡管AlN晶體材料制備技術(shù)的研究與目前較為成熟的Si C襯底材料幾乎同時(shí)起步于20世紀(jì)中后期,但AlN晶體生長具有高難度、高復(fù)雜性及高成本,近半個(gè)多世紀(jì)以來其晶體生長技術(shù)與工藝進(jìn)展緩慢。由于在要求非�？量痰木w生長環(huán)境下開展相關(guān)實(shí)驗(yàn)被證明是耗時(shí)且非常昂貴,因此開展數(shù)值建模和仿真技術(shù)研究在大幅縮短研發(fā)周期及開發(fā)成本等方面具有重要意義。本文首先基于晶體生長動(dòng)力學(xué)如熱量傳輸、質(zhì)量傳輸、氣相流動(dòng)等理論,采用有限元方法及C++語言自主開發(fā)了PVT法AlN晶體生長過程的對流、傳質(zhì)模擬仿真分析模塊。基于開發(fā)的該模塊,研究了坩堝位置及外形、升華界面對傳質(zhì)、氣相流動(dòng)、過飽和度及生... 

【文章來源】：上海大學(xué)上海市 211工程院校

【文章頁數(shù)】：179 頁

【學(xué)位級別】：博士

【文章目錄】：
摘要
abstract
第一章 緒論
    1.1 課題背景和選題意義
    1.2 氮化鋁晶體及其研究概況
        1.2.1 氮化鋁的晶體結(jié)構(gòu)
        1.2.2 氮化鋁晶體的物理化學(xué)性質(zhì)
        1.2.3 氮化鋁晶體的研究歷程
        1.2.4 氮化鋁晶體的應(yīng)用
    1.3 PVT法生長氮化鋁晶體
        1.3.1 生長原理
        1.3.2 生長技術(shù)
        1.3.3 氮化鋁單晶生長面臨的困難
    1.4 氮化鋁晶體數(shù)值模擬仿真的研究概況
        1.4.1 PVT法生長AlN晶體數(shù)值模擬仿真研究概述
        1.4.2 氮化鋁晶體數(shù)值模擬仿真面臨問題
    1.5 論文的主要研究內(nèi)容
第二章 PVT法氮化鋁晶體模擬的數(shù)學(xué)模型
    2.1 引言
    2.2 氮化鋁生長系統(tǒng)
    2.3 全局傳熱模型
        2.3.1 控制方程與邊界條件
        2.3.2 FEMAG仿真軟件模擬流程
    2.4 氣流及生長動(dòng)力學(xué)模型
        2.4.1 化學(xué)反應(yīng)機(jī)制
        2.4.2 生長界面動(dòng)力學(xué)分析
        2.4.3 氣流與傳質(zhì)耦合模型
    2.5 熱彈性應(yīng)力模型
        2.5.1 控制方程及邊界條件
        2.5.2 熱驅(qū)動(dòng)的位錯(cuò)及裂紋預(yù)測模型
    2.6 本章小結(jié)
第三章 有限元建模及數(shù)值求解
    3.1 有限元離散及數(shù)值求解
        3.1.1 等效積分形式及加權(quán)余量法
        3.1.2 濃度擴(kuò)散方程離散化及數(shù)值求解
        3.1.3 Navier-Stokes方程離散化及數(shù)值求解
        3.1.4 熱彈性應(yīng)力方程離散化及數(shù)值求解
    3.2 幾何模型與網(wǎng)格劃分
    3.3 模擬物性參數(shù)的選取
    3.4 本章小結(jié)
第四章 PVT法氮化鋁晶體生長的動(dòng)力學(xué)模擬分析
    4.1 引言
    4.2 模塊驗(yàn)證
    4.3 坩堝位置對氮化鋁生長中傳質(zhì)及動(dòng)力學(xué)影響
        4.3.1 模擬過程及溫度場分布
        4.3.2 坩堝位置對Al分壓及過飽和度的影響
        4.3.3 坩堝位置對生長速率及流場的影響
    4.4 坩堝形狀對氮化鋁生長中傳質(zhì)及動(dòng)力學(xué)影響
        4.4.1 模擬過程及溫度場分布
        4.4.2 坩堝形狀對生長速率的影響
        4.4.3 坩堝形狀對Al分壓及流場的影響
        4.4.4 生長速率限制因素分析
    4.5 升華界面對氮化鋁生長中傳質(zhì)及動(dòng)力學(xué)影響
        4.5.1 模擬過程及溫度場分布
        4.5.2 升華界面遮擋對生長速率的影響
        4.5.3 升華界面遮擋對Al分壓及流場的影響
    4.6 本章小結(jié)
第五章 PVT法氮化鋁晶體生長的熱應(yīng)力模擬分析
    5.1 引言
    5.2 各向異性應(yīng)力模擬分析
        5.2.1 熱場結(jié)構(gòu)及模擬過程
        5.2.2 Von Mises應(yīng)力(VMS)分析
        5.2.3 分解剪切應(yīng)力(RSS)分析
        5.2.4 總分解剪切應(yīng)力(TRSS)分析
    5.3 總分解剪切應(yīng)力(TRSS)模擬優(yōu)化
        5.3.1 模擬過程及溫度場分布
        5.3.2 主滑移系的應(yīng)力貢獻(xiàn)
        5.3.3 長晶過程中TRSS應(yīng)力演變
        5.3.4 加熱器功率調(diào)配對生長速率及應(yīng)力的影響
        5.3.5 晶體冷卻過程中TRSS應(yīng)力演變
    5.4 同質(zhì)與異質(zhì)長晶中應(yīng)力模擬比較分析
        5.4.1 模擬過程及溫度場分布
        5.4.2 VMS應(yīng)力對比分析
        5.4.3 TRSS應(yīng)力對比分析
    5.5 本章小結(jié)
第六章 結(jié)論與展望
    6.1 結(jié)論
    6.2 展望
參考文獻(xiàn)
作者在攻讀博士學(xué)位期間公開發(fā)表的論文
作者在攻讀博士學(xué)位期間所作的項(xiàng)目
致謝


【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[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]單晶生長用AlN粉料的燒結(jié)提純工藝實(shí)驗(yàn)研究[J]. 汪佳,曹凱,劉理想,吳亮.  半導(dǎo)體光電. 2017(06)
[3]基于PVT法自發(fā)形核生長AlN晶體的研究[J]. 曹凱,汪佳,王智昊,任忠鳴,鄧康,吳亮.  半導(dǎo)體光電. 2017(05)
[4]自發(fā)形核生長的AlN單晶濕法腐蝕研究[J]. 劉理想,曹凱,汪佳,任忠鳴,鄧康,吳亮.  人工晶體學(xué)報(bào). 2017(07)
[5]升華法制備m面非極性AlN單晶體的研究[J]. 武紅磊,鄭瑞生,李萌萌,閆征.  人工晶體學(xué)報(bào). 2012(06)



本文編號：3170594