熱交換法生長藍(lán)寶

1、熱交換法生長藍(lán)寶石原理和應(yīng)用v 熱交換法是生長大尺寸藍(lán)寶石的較成熟的商業(yè)化方法之一本文通過數(shù)值模擬研究藍(lán)寶石晶體生長過程中熱交換器中氮?dú)饬髁康淖兓瘜貓龅挠绊?結(jié)果表明晶體生長過程中固液界為近弧面:隨氮?dú)饬鱰增大.晶體熔體的溫度下降，溫度梯度場大:加熱器的功率緩慢土升.根據(jù)模擬的結(jié)果進(jìn)行藍(lán)寶石的生長實(shí)驗(yàn)，采用熱交換法生長出大尺寸藍(lán)寶石晶體( 100mm ).其斷面的生長條紋的形狀與模擬結(jié)果吻合良好.表明模擬結(jié)果與得出的結(jié)論是可信的. 藍(lán)寶石是一種重要的先進(jìn)材料，具有優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)，機(jī)械力學(xué)性質(zhì)和熱學(xué)性質(zhì)，在國防軍工和民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。尤其是1994年以來，日本Nichia公司的Nakam

2、ura博士成功的在藍(lán)寶石襯底上引入緩沖層，外延生長出較高質(zhì)量的氮化鎵，在全球掀起了氮化鎵基發(fā)光材料及 器件的研究開發(fā)熱潮，目前以藍(lán)寶石為襯底的GaN/Ga1nN藍(lán)、綠光LED己經(jīng)實(shí)現(xiàn)商品化。 隨著氮化鎵基發(fā)光材料及器件市場的急劇增長，藍(lán)寶石的需求也高速增長。另外，藍(lán)寶石由于具有高熔(2050C )，在紫外、可見、紅外波段范圍內(nèi)具有高透過率，在3-5Wn透過率高達(dá)85%,具有優(yōu)良的機(jī)械性能和熱學(xué)性能，如抗拉強(qiáng)度高，抗腐蝕、熱導(dǎo)率高，它的抗熱沖擊品質(zhì)因子僅次于金剛石，這些綜合性能決定了它特別適合用于紅外窗口和整流罩v 目前，生長藍(lán)寶石的方法很多，達(dá)十余種,熱交換法是生長大尺寸藍(lán)寶石的方法之一，它可

3、以獨(dú)立控制晶體中溫度梯度和熔體中溫度梯度，有利于生長高質(zhì)量、大尺寸的藍(lán)寶石晶體,生長周期較長，成本高，而數(shù)值模擬技術(shù)可以減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)，提高效率，節(jié)約成本。關(guān)于熱交換法生長藍(lán)寶石晶體的數(shù)值模擬文獻(xiàn)不多。呂中偉，陳志臣等人就坩堝形狀及熱交換器尺寸等因素對熱交換法生長藍(lán)寶石進(jìn)行模擬，但未涉及晶體生長過程，v 熱交換爐，內(nèi)徑1000mm，石墨加熱器，碳一碳復(fù)合保溫材料，合金熱交換器，氦氣作為冷卻介質(zhì)，精確控制氮?dú)饬髁?。采?50 X 180mm，壁厚5mm的鋁制坩鍋，裝料2 3.75Kg,坩禍位于合適的溫區(qū)。外接光電高溫計(jì)，測量加熱器中部的外表面，監(jiān)測爐內(nèi)溫度變化。v 根據(jù)爐體結(jié)構(gòu)，尺寸及相關(guān)參數(shù)，選

4、擇光電高v溫計(jì)測量點(diǎn)為控制點(diǎn)，溫度設(shè)為2348K，采用準(zhǔn)v靜態(tài)逆序模式模擬，即指定控制點(diǎn)溫度和氦氣流v量，計(jì)算加熱器功率和爐內(nèi)總體溫場。v 控制點(diǎn)溫度保持2348K不變，對熱交換器中不v同氦氣流量時(shí)晶體生長的溫場進(jìn)行模擬，得到坩堝內(nèi)溫度分布隨氦氣流量的變化關(guān)系v相鄰等溫線間隔為1.5Kv 隨氦氣流量的增大，冷卻作用增強(qiáng)，固液界面(圖中粗線)以近弧面形式不斷向上方推進(jìn)，晶體不斷長大。熔體中等溫線比較稀疏，溫度梯度較小，晶體中等溫線比較密集，溫度梯度比較大。固液界面在氮?dú)饬髁繛?0L/min時(shí)擴(kuò)展到坩鍋壁，在氮?dú)饬髁繛?00L/min時(shí)擴(kuò)展到坩鍋底部 中心上方42mm處。不同氦氣流量條件下，坩鍋底

5、中心處垂直方向上點(diǎn)的溫度隨位置(即離坩鍋底部中心距離)的變化曲線同一氦氣流量下， 溫度隨著距離的增大而單調(diào)增大，溫度變化曲線由陡峭逐漸變得平緩，溫度梯度逐漸變小。v 氦氣流量為12L/min的溫度變化曲線最為平緩，受氣流量影響最小，其它流量的溫度變化曲線按流量增大順序逐漸變得陡峭，氦氣流量為100L/min的溫度變化曲線受氣流量影響最大。還可以看出，隨著氦氣流量的增加，熔體與晶體中的溫度逐漸降低，溫度梯度逐漸增大，其中晶體的溫度變化曲線明顯比熔體中陡峭，溫度梯度變化比熔體中顯著。v 采用晶向?yàn)閍向的籽晶，純度為99.9 9%的原料。晶體制備過程分為四個(gè)階段，為了在生長品體中獲得生長條紋，有意識

6、的采用變速增加的方式調(diào)節(jié)氮?dú)饬髁俊?1)化料:保持氦氣流量為12L/min不變，增大加熱器功率，使光電高溫計(jì)溫度達(dá)到2348K，完成化料，并保持6個(gè)小時(shí)不變，使籽晶與熔體接觸處獲得良好的固液界面。v (2)改變氦氣流量控制晶體生長:待料充分化完后，保持光電高溫計(jì)監(jiān)測點(diǎn)的溫度不變，并以每小時(shí)增大1L/min的速率將氮?dú)饬髁吭黾拥?0 L/min，然后以每小時(shí)增大2 L/min的速率增加到80 L/min，再以每小時(shí)增大3 L/min的速率增加到100 L/min，通過增大氣流量促使晶體長大。 v (3)降溫生長:保持氦氣流量100 L/min不變，緩慢降低晶體加熱器的功率，促使結(jié)晶完全。v (4

7、)降溫:采用緩慢的降溫速率將晶體降至室溫。v 控制點(diǎn)溫度不變條件下，實(shí)驗(yàn)中加熱器的功率隨氮?dú)饬髁康脑龃蠖徛仙兓厔萃M結(jié)果，但比模擬值稍許偏大。 在本熱交換爐中，生長出透明度較高的藍(lán)寶石晶體。晶體樣品直徑200mm，高76mm，其斷面不同部位透明度稍有差異，有可見的生長條紋，整個(gè)晶體按透明度的差異可分為4個(gè)區(qū)，各區(qū)之間有明顯的生長條紋。生長條紋將晶體分為4個(gè)生長區(qū)域，I區(qū)對應(yīng)于氦氣流量增速為每小時(shí)1L/min的生長階段，II區(qū)對應(yīng)于氦氣流量增速為每小時(shí)2L/min的生長階段，III區(qū)對應(yīng)于氦氣流量增速為每小時(shí)3L/min的生長階段，N區(qū)對應(yīng)于降溫生長階段，各生長區(qū)的分界線對應(yīng)于由氮?dú)?/p>

8、流量增速突變引起的生長速率的突變。生長條紋與模擬結(jié)果的吻合說明模擬結(jié)果是可信的。v 熱交換器中通入氦氣使其從生長的晶體中帶走熱量，提供晶體生長驅(qū)動(dòng)力，控制氦氣流量可精確控制晶體生長過程。下面就氦氣流量的變化對固液界面、溫度梯度和加熱器功率的影響加以討論。 位于坩堝底部的熱交換器從晶體中帶走熱量，氦氣流量增大，從生長晶體中導(dǎo)走的熱量增多，晶體結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力增大，從而晶體不斷長大。如果坩堝處于恒溫區(qū)，并且坩堝的熱導(dǎo)率與晶體的熱導(dǎo)率相同，那么固液界面是球面。由于實(shí)際晶體生長過程中的溫場是加熱器產(chǎn)生的溫場與熱交換器產(chǎn)生溫場的疊加，鋁的熱導(dǎo)率比藍(lán)寶石晶體的熱導(dǎo)率大，使得固液界面在坩堝底水平方向的溫度梯度(

9、橫向)比坩堝底法向方向的溫度梯度(軸向)小，即固液界面凸度(晶體中錐體頂面橫向溫度梯度和錐體中縱向溫度梯度之比)小于1，所以實(shí)際晶體生長過程中就得到了近弧面的固液界面。v 隨著氦氣流量的增大，帶走的熱量增多，導(dǎo)致晶體降低，由于監(jiān)測點(diǎn)的溫度保持不變，晶體與熔體中溫度梯度逐漸增大。氮?dú)饬髁吭龃笏俾拾l(fā)生突變時(shí)，晶體的生長速率也會(huì)突變，生長速率的突變將會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)分凝系數(shù)發(fā)生起伏，使得雜質(zhì)在生長的不同階段分布不均勻，晶體中出現(xiàn)生長條紋。 氦氣流量的增大，熱交換器散熱能力增強(qiáng)，要使監(jiān)測點(diǎn)的溫度不變，加熱器的功率必然上升。v 在熱交換法生長藍(lán)寶石晶體過程中，保持監(jiān)測點(diǎn)溫度恒定，針對熱交換器中氮?dú)饬髁康脑龃髮w生