勾形磁场下分离结晶法生长CdZnTe晶体的全局数值分析

摘要

传统的熔体生长法有Czochralski提拉法和Bridgman定向凝固法，这两种方法存在着各自的优缺点，而新型分离结晶Bridgman方法结合了他们的优点，能生长出高质量的晶体。但是，它仍然属于熔体生长法，晶体的化学和物理性能将会受到坩埚内熔体的流动的影响。通过施加磁场能有效控制熔体的流动，从而进一步改善生长过程。CdZnTe晶体是一种有着广泛应用前景的半导体材料，常应用于医学成像与诊断、环境监测、工业测量和天体物理等领域。至今，关于CdZnTe晶体的研究多集中在实验方面，而新型分离结晶Bridgman法生长CdZnTe晶体的理论研究更是很少，因此进行该方面的研究具有重要的理论价值和工程意义。
　　 为了了解勾形磁场下相关参数对CdZnTe晶体生长的影响，利用有限元法对坩埚内的热量和动量传递过程进行了全局数值模拟。分析了不同的磁场结构、磁场强度、重力水平、温度梯度及坩埚半径对CdZnTe晶体生长过程的影响，得到了这些相关参数对熔体内速度场、温度场的影响规律。
　　 数值模拟的结果表明：(1)当磁场中心面在熔体-晶体交界面上方10mm时，磁场在熔体上下区域及坩埚壁面附近高密集分布，能够很好地抑制浮力对流、减弱热毛细对流，从而削弱整个熔体区内的流动。(2)随着磁场强度的增大，洛伦兹力对熔体内部流动的抑制作用逐渐增强，当磁场强度达到2.0T时，上自由表面速度线变得平坦，速度分布变得很均匀，有利于晶体的稳定生长。(3)随着重力水平的提高，熔体内的最大流函数增大，流动变得越来越强烈，当施加的磁场强度达到2.0T时，熔体内的浮力对流和热毛细对流明显地被削弱。(4)随着壁面温度梯度的增大，坩埚内的温度梯度逐渐增大，结晶界面逐步向上移动，以致熔体区不断缩小，熔体的流动加强，不利于晶体的稳定生长。通过施加磁场，既能保证晶体的生长速率，又能将熔体的流动控制在一定范围。(5)随着坩埚半径的增大，坩埚内的最大流函数增大，等温线变密，坩埚内的温度梯度随之增大，熔体的流动增强。研究表明，磁场对大尺寸坩埚内熔体流动的抑制作用更加有效。