Abstract ：

物理气相传输法（PVT）生长碳化硅（SiC）晶体过程中，保持晶体生长系统内高温环境是SiC粉末发生升华的先决条件。生长温度影响着晶体的多型结构，炉内温度梯度和炉内气压控制着炉内各种反应粒子的输运过程及分布情况，也就控制着SiC晶体的生长速率，同时对温度分布也决定着晶体生长的质量。因此，有必要对PVT法SiC晶体生长系统的结构及工艺参数进行优化，实现对晶体生长系统内热场的精确控制，进而提高晶体质量、提高晶体生长速率并降低晶体生长成本。 本文针对50 mm PVT法SiC晶体生长系统，采用正向模拟方法对系统进行优化研究，并在此基础上，提出了基于遗传算法的逆向模拟优化方案。论文针对PVT法SiC晶体生长系统数值模拟的特点，对遗传算法进行了改进与验证，并构建了遗传算法与PVT法SiC晶体生长系统传热数值模拟算法的结合模型。应用改进的遗传算法对PVT法SiC晶体生长系统的结构设计、制备工艺等参数的优化问题进行了深入研究。 首先，建立了电磁感应、传热传质、晶体生长动力学及应力位错模型，并在此基础上，应用正向模拟方法对线圈径向位置、绝热层导热系数、籽晶连接方式对结晶过程的影响进行了研究。研究结果表明正向模拟方法针对单目标的优化问题，只能得到一个变量的优化范围，很难找出最优解；而对于双变量优化问题，优化过程繁琐复杂，应用正向模拟方法解决多变量多目标优化问题非常困难。 其次，针对正向模拟方法存在的问题，提出了将遗传算法（GAs）应用于逆向模拟优化PVT法SiC晶体生长系统的方案，并在基于清除机制的小生境遗传算法（NGA-C）的基础上提出了基于清除机制的自适应小生境遗传算法（NGA-AC）。分别运用标准遗传算法SGA、NGA-C、NGA-AC算法对三个标准测试函数进行了优化验证，结果表明本文提出的NGA-AC算法优化效率及求解成功率最高；针对疑难遗传算法优化问题，通过增大种群规模的方式可迅速提高NGA-AC算法全局收敛性与优化成功率。 然后，对遗传算法与PVT法SiC晶体生长系统传热数值模拟算法的结合方式进行了研究，在遗传算法适应值评估阶段实现了二者的结合，并制定了死亡惩罚规则及收敛判定准则。利用提出的NGA-AC算法及结合模型，优化了PVT法SiC晶体生长系统中坩埚发射率，验证了NGA-AC算法的优化性能。优化结果实现了在保证晶体质量的前提下晶体生长速率的提高，表明NGA-AC算法用于优化PVT法SiC晶体生长系统时，优化成功率最高、用时最短。 最后，运用本文提出的基于NGA-AC算法的逆向优化方法及结合模型，分别从单目标、多目标角度对PVT法SiC晶体生长系统进行了优化研究。通过优化线圈的轴向位置，提高了SiC的晶体生长速率，优化结果表明通过感应线圈整体上移的方式可实现晶体生长速率的提升。为了提高SiC粉末在晶体生长过程中的稳定性，研究了线圈排布方式的优化问题，优化结果表明采用粉末处线圈疏排、籽晶处线圈密排的方式可以使粉末中温度梯度最小，从而确保粉末的稳定性。为了减小晶体内的热应力，进一步优化了籽晶座厚度与盲孔半径，结果表明籽晶厚度与盲孔半径在原系统基础上适当增大时，籽晶表面径向温差降低，并计算对比了优化前后晶体内部的热弹性应力，结果表明优化后晶体生长系统实现了降低SiC晶体内热应力的目的。通过优化绝热层套筒与顶、底部盖板的各向异性导热系数，可以使得晶体生长速率分别提高至指定值。

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晶体生长 模拟优化 碳化硅 物理气相传输法

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Abstract ：

SiC是目前发展最为成熟的第三代宽带隙半导体材料，具有许多优异的物理性质和电子学特性，使其在高温、高频、高压、大功率及抗辐射等方面具有广泛的应用。目前在商业生产方面，广泛采用物理气相传输（Physical Vapor Transport）法来生成SiC单晶。然而SiC电子器件的发展还比较缓慢，其主要原因是SiC晶体还不能充分满足电子器件对SiC质量和尺寸的要求。因此，研究PVT法生长SiC晶体的生长过程对提高SiC晶体的质量显得尤为重要。本文针对PVT法生长SiC晶体生长腔内的流动很传质问题，通过数值方法分析研究了生长腔内气相组分粒子的输运规律，并分析了生长条件的晶体生长过程的影响。 首先建立了PVT法生长SiC晶体生长腔内粒子输运的数值模型，并通过分析SiC原料表面和晶体生长表面附近的粒子输运规律及平衡关系，确定了界面处的边界条件。然后基于非结构化网格，开发了求解生长腔内流动和传质的数值程序，并分别计算了顶盖驱动流和自然对流等经典算例，验证了程序的可行性。 其次，利用提出的数值模型，计算并分析了PVT生长腔内温度、速度及浓度的分布情况，获得了对应物理场下的晶体生长速率；深入研究了不同生长温度、炉内压力等生长条件对炉内主要气相粒子的输运及浓度分布的影响规律。数值结果表明，随着生长温度的升高及炉内压力的降低，生长腔内粒子的输运速度明显提升；但随着生长温度的升高和炉内压力的升高，参与反应的气相粒子的浓度分布从粉源到籽晶处也出现了显著的提高。通过分析生长条件对晶体生长界面处过饱和度的影响，得到了生长速率随生长温度和炉内压力的影响规律。结果分析表明，生长速率随着生长温度的升高及炉内压力的降低而增大。 最后，分析研究了生长条件对炉内粒子输运方式的影响。通过计算单独考虑自然对流、Stefan流动条件下的速度场，结果对比表明，在炉内气相粒子输运过程中Stefan流动是起主要作用的。进一步计算了不同温度和压力下晶体生长表面附近对流和扩散通量的变化，结果表明，生长温度越高及炉内压力越低，对流作用稍有增强，但从对流通量与扩散通量的比值看，数值较小，因此扩散是主要的输运方式。 论文通过分析炉内粒子的输运及分布规律，为设计制造大尺寸、高质量碳化硅晶体的PVT生长炉提供一定的理论依据和数值参考。

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PVT法 晶体生长 流动传质 碳化硅单晶

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Abstract ：

碳化硅（SiC）材料作为第三代新型宽禁带半导体材料，有着卓越的物理和电学特性。因此，SiC电子器件可以在高温高频、高辐射、大功率等极端的环境下工作。目前，商业化生长SiC晶体的主要方法有物理气相传输（PVT）法和化学气相沉积（CVD）法。利用PVT法能生长出质量高、尺寸大的块状SiC晶片，但很难精确控制晶片的厚度和掺杂的浓度。而通过CVD外延生长，可以得到表面光滑、缺陷少、结晶度高、掺杂浓度均匀和厚度可控的SiC外延晶片。然而，在SiC外延晶片上仍然存在着各种各样的缺陷，如：位错、孪晶、堆叠层错等。此外，SiC晶片表面的台阶形貌可以导致生长表面的杂质分布不均匀，而且它还与微管缺陷（Micropipes）的形成与消亡过程有紧密的关系，而微管缺陷被认为是电子器件的“杀手”。这些问题极大地限制了SiC晶片的商业化应用与发展。 基于SiC外延生长中微观原子的动力学过程，结合蒙特卡罗基本方法，提出了一种三维的动力学蒙特卡罗（KMC）模型。在该模型中，SiC晶体的结构由一个三维的晶格网格来描述，在晶体的生长平面内沿着台阶边缘采用了周期边界条件（PBC），而垂直于台阶边缘采用了螺旋边界条件（HBC）。模型不仅考虑了原子在台阶面的吸附、扩散等过程，而且还考虑了原子在台阶边缘的附着、分离以及传输过程。此外，为了更加详细地捕捉微观原子在晶体表面的动力学过程信息，模型把硅原子和碳原子分别对待，同时考虑了台阶边缘的能量势垒对吸附原子的影响。 首先，利用该模型研究了生长温度和沉积速率对晶体生长模式的影响规律。结果表明随着生长温度的逐渐降低，其生长模式由台阶流动生长方式转变为台阶流动生长与二维成核生长相结合的混合生长方式；当生长温度进一步降低时，晶体的生长方式转变为三维成核的生长方式。另一方面，随着沉积速率的增加，晶体的生长方式由台阶流动生长方式向二维成核方式转变。 其次，研究了沿着[1-100]或[11-20]方向有一定离轴角度的SiC(0001)邻晶面（Vicinal Surface）上Step bunching形貌特征，并讨论了其形成机理。模拟结果表明在偏离 [1-100] 方向的4H-和6H-SiC (0001)邻晶面上，形成了一个晶胞高度的台阶形貌。而在偏离 [11-20]方向的邻晶面上，仅形成了半个晶胞高度的台阶。在3C-SiC (0001)邻晶面上并没有台阶形貌的形成。此外，还研究了Islanding形貌特征对Step meandering形貌特征的影响规律，并获得了生长模式相图，用来描述在何种情况下晶核对Step meandering形貌影响较大。 再次，为了进一步揭示Step bunching形貌特征形成过程，建立了一种基于Burton-Cabrera-Frank（BCF）方程的理论分析模型。通过该模型获得了在不同能量势垒下吸附原子的浓度曲线。结果发现4H-与6H-SiC多型Step bunching台阶形貌的形成机制不仅与台阶边缘的能量势垒有关，而且也与相邻层与层间相互作用的表面能有关，该结果与KMC模拟结果以及实验结果相符合。 最后，进一步发展了基于BCF的理论模型，获得了SiC晶体在生长过程中的台阶生长速率波动函数。它不仅与晶体的台阶宽度、沉积速率以及其表面的扩散系数等参数有关，而且与台阶边缘的能量势垒和维持台阶稳定的线性自由能等SiC材料的特性参数有关。通过该波动函数，对晶体生长过程中的Step meandering台阶形貌进行了线性稳定性分析。结果表明过高的沉积速率会导致台阶失稳，可以通过提高吸附原子的扩散速率和降低沉积速率来改善台阶的稳定性。

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晶体生长 蒙特卡罗 台阶形貌 碳化硅

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Abstract ：

石墨烯自2004年被发现以来，由于其独特的物理性能和巨大的应用潜力而被广泛研究。石墨烯是由sp2杂化碳原子组成的单层六角晶体结构，制备方法很多。其中，微机械剥离法能产生高质量的石墨烯但产率极低；氧化还原法制备的石墨烯片面积较大，但包含了较多的缺陷；化学气相沉积法可以在金属基体上实现大面积石墨烯的制备，但石墨烯的质量不高，且需要转移到绝缘基体才能投入应用。而SiC高温热解法所用的SiC基体本身就是一种宽带隙半导体（近似为绝缘体），可直接实现高质量石墨烯的外延生长和器件制备，受到了广泛的关注和研究。但SiC高温热解法仍存在一些尚未解决的问题，例如，石墨烯形成之前的SiC衬底缓冲层的原子结构仍不明确，外延石墨烯的边界结构及电子态特征仍不清楚，大面积规则单层外延石墨烯的制备仍不可控，金属与外延石墨烯的关联作用还不了解，等等。围绕上述问题，本论文拟采用超高真空系统，通过6H-SiC（0001）的高温热解来制备外延石墨烯，结合扫描隧道显微镜/谱（STM/STS），反射式高能电子衍射（RHEED）以及拉曼光谱（Raman），表征分析石墨烯的结构与性能，并探索研究了单层外延石墨烯的大面积生长工艺及金属与外延石墨烯的关联作用行为。主要研究内容和取得的研究成果如下： （1）采用STM和RHEED对热解过程中SiC基体表面的重构结构进行了原位表征，发现SiC表面主要有三种重构结构，即， 、 和 。其中， 结构是外延石墨烯形成之前SiC衬底缓冲层的结构，由 重构演化而来并在不同的偏压下呈现出不同的形貌。从动力学过程来看，随着温度的升高，SiC表面的Si原子开始升华，缓冲层在保持长程有序的条件下，其短程原子结构历经了“有序-无序-有序”的转变过程，以有序排列的三角形团簇为模板，裂解的碳原子形核、长大成石墨烯。通过STM原子分辨像以及STS可以证实外延石墨烯沿SiC台阶具有较好的连续性，且因石墨烯的生成，SiC表面由半导体特性转变为金属性。 （2）既然石墨烯是以有序排列的三角形团簇为模板形核长大，石墨烯与SiC缓冲层之间理应具有某种外延关系。基于高分辨率STM原子图像和快速傅里叶变换图样（FFT）可以判断，石墨烯的扶手椅取向和SiC衬底 重构的基矢方向以及SiC晶体的 密排方向完全一致。由此，我们提出了一种以较大尺度范围的 重构的基矢方向来判断外延石墨烯边界取向的新方法，该方法相对于偏振拉曼光谱和高分辨率STM图像方法更为直观且高效。采用这种表征方法发现，对于SiC高温热解制备的石墨烯，无论是单层还是多层均以扶手椅边界为主。 （3）石墨烯的电子态对其边界结构非常敏感，我们采用STM对平整扶手椅边界附近不同 干涉图样进行了详细表征，发现振荡条纹的周期大约为3.7 ?，正好与石墨烯费米能级附近的电子波长相近，推断条纹的产生可能是由入射电子束和反射电子束相互干涉的结果，且通过变化反射电子的位相大小，可以解释观察到的不同干涉图样。事实上，这种电子干涉图样仅仅在平整的扶手椅边界附近产生，在有褶皱或粗糙的边界附近未见干涉图样，反而呈现的是石墨烯的六角晶格结构。分析认为，这种电子干涉图案的有无与光的镜面反射和漫反射现象相类似。 （4）基于STM和拉曼光谱表征发现，超高真空常规热解法制备的石墨烯表面孔洞较多，Si气氛下的常规热解法制备的石墨烯形貌规则但层数较多，真空快闪法制备的石墨烯表面较为粗糙。但是，在Si或者Pb气氛下，经过1400 oC左右的快闪，可以制备大面积规则的单层外延石墨烯。分析发现，由于Si或Pb气氛的存在，SiC基体表面Si原子的升华受到一定程度的抑制，大约表面三层Si-C双层裂解产生一层石墨烯，且抑制的升华过程为C原子在缓冲层表面的扩散和形核提供了足够的时间，而且部分原子向下扩散至石墨烯与缓冲层之间，显著改善了石墨烯的平整度。 （5）在SiC/石墨烯表面沉积金属原子，研究外延石墨烯的金属化行为及相互作用。结果表明，由于SiC衬底表面悬挂键的存在，其表面吸附能和扩散激活能均大于光滑的石墨烯表面，故金属原子（Pb、In、Ag）在外延石墨烯和SiC衬底表面呈现选择性生长模式。金属原子容易在SiC缓冲层上形核、长大成密集的小岛，而石墨烯上的金属岛密度小、尺寸大。在真空退火条件下，Ag、In颗粒容易沿着外延石墨烯表面滑动，导致沿扶手椅和锯齿形方向的平直沟道，类似于定向刻蚀。Ag等离子体注入导致外延石墨烯转变成为类金刚石（DLC）结构。这些现象的发现增强了对外延石墨烯与金属间的相互作用的理解，有助于探索石墨烯的改性及应用。 通过本论文的研究，我们阐释了SiC高温热解法制备外延石墨烯的生长机理及缓冲层原子结构的演化过程，提出了一种判断石墨烯边界取向的新方法，发现外延石墨烯以扶手椅边界为主，揭示了平行于扶手椅边界的 结构的电子干涉机制，结合快闪工艺和气氛限制生长方法制备了大面积高质量单层外延石墨烯，明确了金属原子与外延石墨烯和SiC基体之间的交互作用。这些结果为高质量石墨烯及相关器件的制备奠定了材料学基础，并提供了重要的数据支持。

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SiC缓冲层结构 边界特性 大面积制备 金属化 外延石墨烯

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Abstract ：

SiC及其复合材料由于优异的化学和物理性质而在核行业中受到广泛关注。而辐射环境下，SiC发生的肿胀和非晶化会极大影响其各项性能，因此，研究辐照引起SiC的肿胀规律和非晶化有重要的学术意义和应用前景。 本文建立了室温及高温下Si离子辐照肿胀模型，并与实验值进行对比分析；此外，还采用紫外可见吸收光谱（UV-vis）、X射线衍射（XRD）和拉曼（Raman）分析Si离子辐照对SiC晶体结构及光学性质的影响。 结合已有分子动力学结果，利用SRIM模拟，提出预测室温下重离子辐照肿胀的模型。结果表明在低剂量时，实验值与线性肿胀率符合较好，而在高剂量下则与体肿胀率符合较好。结合已有的动力学蒙卡计算结果，运用SRIM模拟所建立的高温辐照肿胀模型与实验值符合较好，说明高温辐照肿胀主要由点缺陷数目决定。对中子和Si离子辐照肿胀等效性的讨论可得出两者的肿胀规律近似；同时，将重离子与中子辐照肿胀对比时，在SRIM中应当选择Kinchin-Pease模型。 UV-vis结果表明，Si离子辐照SiC会导致其吸收系数增加，吸收边的红移和带尾效应，而光学禁带宽度随着辐照剂量的增加逐渐下降，在非晶化后光学禁带宽度不再变化。结合XRD和Raman结果，可得到室温下Si离子辐照SiC的非晶化临界剂量为0.2 dpa，高温下SiC没有发生非晶化。通过对光学性质的研究，发现利用UV-vis测试方法可快速无损的判断SiC是否非晶化，并且乌尔巴赫能可较好地表征辐照引起的结构无序。 本文结果表明Si离子辐照SiC的肿胀规律与中子辐照肿胀规律类似，可以用来一定程度的模拟中子辐照；Si离子辐照SiC会产生较为明显的肿胀和光学性质变化，可运用UV-vis测试来判断其是否非晶化和表征辐照损伤。

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6H-SiC Si辐照 非晶化 光学性质 肿胀

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Abstract ：

碳化硅（SiC）是第三带半导体材料的典型代表，具有宽带隙、高热导率、高载流子饱和飘移速度、高临界击穿场强及高温化学性质稳定等特点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力。然而，SiC单晶昂贵的制备成本及大量的晶体缺陷限制了其在器件中的大规模应用。因此，制备高质量、低成本的SiC晶体已成为SiC晶体研究的重点。 目前，制备SiC单晶最广泛应用的方法是物理气相传输法（PVT法）。由于PVT法制备SiC单体是一个复杂的物理化学过程，其中影响晶体生长的工艺参数包括温度、温度梯度、气氛压力及原料－晶体间距等，同时原料的粒度、晶体内部的热应力等都会影响晶体的生长，而且晶体中存在的各种缺陷是影响晶体质量的主要原因。因此，全面而深入地研究PVT法制备SiC晶体的生长过程是优化SiC晶体生长工艺与提高晶体质量的前提。 本论文利用实验与数值模拟相结合的方法从不同的角度系统地分析了晶体生长体系中各种工艺参数对晶体质量、晶体生长速度及晶体生长形态的影响，同时对晶体中的缺陷以及成因进行了全面的分析并提出了减少缺陷的可行性的建议。 从热力学和动力学的角度分别分析了晶体生长体系中的化学平衡和质量传输过程。结果表明，提高原料的温度有利于晶体的快速生长，这是由于高温可以大幅度地增加SiC气相成份的平衡分压及降低Si/C原子数量比，从而影响晶体的生长。 对工艺参数对PVT法制备SiC晶体生长过程的影响进行的研究也表明提高晶体的生长温度、增大轴向温度梯度以及降低气氛压力都有利于提高碳化硅晶体的生长速率。同时，研究原料粒度对SiC晶体生长影响的实验结果表明平均粒度为120 &#61549m绿色6H-SiC原料最有利于SiC晶体快速稳定地生长。 利用在感应加热坩埚中引入共轴小坩埚的方法来优化籽晶附近的温度分布及生长腔中气相成份的过饱和度，可以提高放大Lely晶片的速度，其径向和轴向生长速率分布达到0.56 mm/h和0.71 mm/h。同时发现晶体的生长形态受晶体附近温度等值面的影响。 通过分析原料中添加B单质时晶体中微管的形态及分布规律，提出了微管缺陷的形成模型，即“与生长台阶相关的杂质颗粒绕过模型”；同时研究分析了6H-SiC的a-面和m-面的原子分布规律，提出了层错形成的扩散限制模型，利用该模型估算出相同生长条件下，采用（11-20）面作为生长面制得的晶体中的层错密度大约为采用（1-100）面作为生长面得到晶体中的层错密度的2.15倍，与实验测量结果2.11非常吻合。 借助数值模拟，研究了晶体生长形态对晶体内部热应力的影响，结果表明：具有平面生长形态的晶体中的剪切应力和等效应力分布最均匀，绝对值也最小；同时，由于石墨坩埚盖与6H-SiC的材料性质存在巨大的差异，在晶体与坩埚盖接触交界处具有最大的热应力，如果能够消除坩埚盖与晶体间材料性质的差异，晶体与坩埚盖交界处的剪切应力&#61555rz和等效应力&#61555Mises可以降低2～3个数量级。因此，可以通过减小坩埚盖和晶体之间材质的差异并保持晶体的平面生长形态来减小晶体中的热应力。 利用基于密度泛函数的第一原理计算研究了N、B、Al和Fe掺杂对6H-SiC晶体结构稳定性的影响，结果显示N、B、Al和Fe都可以用来掺杂6H-SiC，且N和B的掺杂可以在热力学平衡条件下自发进行，而B和Fe在6H-SiC晶体的（0001）Si面上和（000-1）C面上的掺杂表现出较大的差异性，会对晶体的生长产生负面影响。同时实验也证明了B的引入会导致晶体中大量具有一定排列规律的微管缺陷的形成，而在原料中掺入Fe则会降低晶体的生长速率及改变晶体的生长形态，从而制备出了纯6H-SiC晶须。

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碳化硅单晶制备缺陷数值模拟

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将块体SiC单晶中切割下的晶片经研磨、抛光和腐蚀不同工艺处理后作为籽晶,用物理气相传输法生长SiC晶体,生长时间为10min。用光学显微镜观察晶片生长前后的形貌,讨论了不同处理工艺籽晶对晶体生长的影响。结果表明,研磨和抛光可以去除晶体切割时产生的凹坑和划痕,但残留的研磨变质层和抛光导致的机械损伤层可诱导晶片在高温晶体生长时产生多晶成核,腐蚀可以去除研磨和抛光时产生的机械损伤层,用腐蚀后的晶片作为籽晶,生长的晶体表面光滑,并且能够很好地复制籽晶的结构。

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晶体生长 碳化硅单晶 物理气相传输法 籽晶

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碳化硅晶体属于第三代半导体材料，具有宽带隙、高临界电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度和化学稳定性好等特点，成为制备大功率、高频、高温、耐腐蚀和抗辐照半导体器件的首选材料。SiC晶体生长的研究已成为目前半导体材料领域的一个研究热点。物理气相传输法是制备SiC晶体的有效方法，生长过程包括源材料的分解升华、气相物质的质量传输和在籽晶上的结晶三个过程。本文探索了源材料硅/碳化硅比调整的技术途径，系统研究了影响生长系统质量变化的因素，通过盖板材质的研究抑制多晶成核，探索调整、控制生长室温度场与气相源物质的输运的新方法，改善单晶径向的生长速率和有效尺寸。获得了一些在理论研究和实际应用中有价值的研究结果。通过在生长室的下方添加处于低温的供Si坩埚，向生长室内持续提供低流速的Si气流，改进了传统的物理气相传输法。通过调节坩埚温度可以调控生长室中Si气压的高低，从而影响了晶体中夹杂及微管等缺陷的数目。研究表明：当供Si坩埚的温度为1700℃时，制备的晶体中夹杂与微管缺陷最少，晶体质量较高；与PVT法相比，供Si坩埚提高了生长室内的Si气相压力，将晶体的生长速率由0.8mm/h提高到2.64mm/h；将SiC粉末源材料的利用率由18.6%提高到75.9%；减少了生长初期晶体中夹杂的产生，生长晶体的微管密度由143cm-2降低到32 cm-2。系统研究了SiC晶体生长系统质量变化的影响因素，推算了生长室内气相成分中Si原子和C原子摩尔数比。温度梯度的提高和生长时间的延长，都会导致石墨坩埚及生长系统的质量损失增加。升高气氛压力，晶体生长系统的质量损失减少，但石墨坩埚的质量损失增加。根据晶体生长系统的质量损失及净残余碳的质量推算得出生长室气相成分中Si原子和C原子摩尔数比与热力学计算结果一致。使用石墨纸制作粘贴籽晶的盖板，研究了碳质盖板显微组织对其表面多晶生长的影响。结果表明：石墨中的小晶粒无序堆积，而石墨纸中的大晶粒石墨鳞片有序排列；多晶在碳质盖板上形核的主要物质来源是生长室中的Si与碳质盖板晶界、缺陷处的碳反应形成SiC，石墨表面有大量的晶核出现，而石墨纸表面形核较少；石墨盖板上持续形成的晶核数目大，多晶生长尺寸较小且多晶的生长方向以[ ]为主，石墨纸盖板上后期晶核数目较小，多晶生长尺寸较大，多晶的生长方向以[0001]为主；在籽晶生长过程中，石墨盖板上的多晶成核、生长，将籽晶包围，限制了籽晶在径向的生长，晶体尺寸难以放大；石墨纸盖板上形核数少，籽晶会摆脱多晶层的包围，向径向和轴向同时生长，有利于晶体尺寸放大。通过逐步放大生长室内径的方法能够快速有效放大籽晶的尺寸。使用4种内径的生长室，累计24小时的生长过程，可将尺寸为8×8mm2的方形籽晶放大为直径24mm的半球形状晶体，晶体的放大速率为0.67mm/h。运用此法已制备出直径达50mm的SiC晶体。模拟研究了生长室直径变化对温度分布的影响，发现随生长室直径的减小，籽晶附近等温线变得密集，而且其曲率也随之增大，说明直径较小的生长室能够为小尺寸籽晶附近提供较大径向温度梯度，促进籽晶在径向的生长。

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碳化硅晶体生长放大多晶生长速率

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研究了用物理气相传输(PVT)法制备SiC单晶的过程中附加碳源对晶体生长速度及缺陷的影响,并将活性炭与SiC粉末一起加入到石墨坩埚中进行晶体生长.用XRD分别测定了晶体生长前后坩埚与活性炭的石墨化度,并用光学显微镜观察了晶体中的缺陷.结果表明,随晶体生长过程的进行石墨坩埚的活性降低,直接导致晶体生长速度减慢,并使籽晶表面Si液相形成的可能性增大,与Si液相相关的缺陷增多.活性炭的加入给生长过程提供了充足的碳源,提高了晶体的生长速度,并抑制了籽晶表面Si液相的形成,从而降低了与Si液相相关缺陷出现的几率.

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PVT SiC晶体 附加碳源 缺陷

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研究了SiC粉料的空隙率对晶体生长的影响.分析比较了当粉料取不同空隙率时粉料中以及生长腔内温度分布的异同,并结合实验研究了生长腔内等温线的不同形状和生长晶体表面形貌之间的关系.数值计算和实验结果均表明,生长腔内等温线的形状直接决定着生长晶体的表面形貌;粉源内较大的空隙率有利于粉的有效升华和晶体的稳定生长.

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PVT法 SiC粉源 空隙率 温度场

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