Cz法砷化镓熔体流动与传热传质数值模拟分析

"Cz法砷化镓熔体流动与传热传质的数值模拟研究，由王正乾、李明伟等人完成，采用低雷诺数k-ε湍流模型来模拟这一过程，重点关注不同参数对熔体流动和传热的影响。文章探讨了晶体和坩埚转速变化以及温差条件下的AsGa熔体行为，并考虑了溶质分凝效应对Si掺杂质量浓度分布的作用。研究发现，在常重力和微重力环境下，Si质量浓度在熔体/晶体生长界面上的分布是非线性的，并且主要的浓度梯度集中在生长界面附近。该工作对于优化Cz法生长高质量GaAs单晶具有重要意义。" 本文详细阐述了Cz法制备砷化镓单晶过程中熔体流动与传热传质的数值模拟。作者们采用了一种适用于低雷诺数流动的k-ε湍流模型，以深入理解这一复杂工艺中的物理现象。他们特别关注了晶体转速、坩埚转速以及温差这三个关键参数对AsGa熔体流动和热传递的影响。通过模拟，他们揭示了在这些变量变化时，熔体内部流动模式和温度分布的变化规律。 同时，研究人员还考虑了溶质分凝效应，即在熔体中掺杂硅元素时，由于浓度分布不均可能导致的晶体质量差异。他们分析了不同条件下的Si质量浓度分布，发现在常重力和微重力条件下，Si的浓度在熔体/晶体生长界面和轴线上均呈现非线性分布，而且在生长界面附近的浓度梯度尤为显著。这为理解和控制晶体的掺杂均匀性提供了理论依据。 Czochralski（Cz）法是广泛用于制备半导体单晶的工艺，而其生长环境的优化对于提高砷化镓单晶的光电性能至关重要。作者提出的数值模拟方法和分析结果为改善Cz法制备掺杂均匀的GaAs单晶提供了新的思路。文中提及的单坩埚气氛压力法因其设备简单而成为研究的重点，尽管双坩埚法也在文献中有广泛应用，但本文选择单坩埚法进行研究，以减少复杂性。 这项研究不仅深化了对Cz法生长砷化镓单晶过程中熔体流动和传热传质的理解，也为克服掺杂物质分凝效应、提高晶体质量提供了一种可能的解决方案。其结果对于进一步优化晶体生长工艺，尤其是在微重力环境下生长高质量的半导体单晶有着重要的指导价值。