Cz法砷化镓熔体流动与传热传质数值模拟

在介绍Cz法砷化镓熔体流动与传热传质数值模拟的知识点之前，我们首先需要理解Cz法（Czochralski法）是什么。Czochralski法是一种生产高质量单晶半导体材料的技术，尤其是在砷化镓（GaAs）晶体的生产中被广泛使用。其工作原理是通过从熔融的半导体材料中逐渐拉出一根单晶棒来。在这一过程中，熔体的流动和温度分布对晶体的质量有着重要的影响。为了提高晶体的质量，需要对熔体的流动、传热和传质进行精确的控制和模拟。 本文讨论了使用低雷诺数k-ε湍流模型来模拟Cz法砷化镓熔体的流动、传热和传质行为。在详细解析模型和方法之前，我们先来梳理一下相关的知识点。 低雷诺数k-ε湍流模型是基于雷诺时均方法建立的，用于描述流体中湍流运动的模型。模型中的k代表湍流动能，ε代表湍流动能耗散率。在模型中，雷诺应力被用来表达流体在湍流状态下的动量交换。 接下来，我们来深入探讨文章中的关键内容： 1. 模拟对象和目的：本文研究了Cz法中砷化镓熔体在不同晶体和坩埚转速、不同温差条件下的流动与传热传质。通过数值模拟，旨在揭示这些条件下熔体流动与传热的特点和规律。 2. 溶质分凝效应：溶质分凝效应是指在晶体生长过程中，不同的生长条件会导致晶体中掺杂物浓度的空间分布不均匀。这一点对于获得均匀掺杂的高质量砷化镓单晶至关重要。 3. 微重力条件下的模拟：研究了在微重力环境下，熔体流动与Si质量浓度分布的情况。微重力环境可以减弱熔体流动，有利于研究在常重力下可能被掩盖的流动特性。 4. 数学物理模型及数值方法：本文构建了简化的Cz法晶体生长模型，并给出了相关热物性参数和无量纲数。基于这些模型和参数，使用低雷诺数k-ε湍流模型，结合雷诺时均连续性方程、动量方程、能量方程和物质输运方程进行了模拟分析。 5. 模拟结果：模拟结果显示，在常重力下，不同晶体和坩埚转速、不同温差条件下，熔体/晶体生长界面和轴线上Si的质量浓度呈现非线性分布，而在微重力条件下，熔体流动受到显著削弱，Si的质量浓度分布依然呈非线性。 6. 应用和展望：文章分析了不同条件下Si在砷化镓熔体中的质量浓度分布，这有助于优化Cz法生长砷化镓单晶的工艺，通过控制晶体和坩埚的转速，以及温差等条件，实现对晶体质量的精细调控。 通过以上的分析，我们可以得知Cz法砷化镓熔体流动与传热传质数值模拟的重要性，以及如何通过模拟来指导实际的晶体生长工艺。低雷诺数k-ε湍流模型为我们提供了一个强有力的工具，以理论和数值的方式去理解和预测Cz法中复杂的物理现象。