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【会员论文】天津理工大学徐永宽教授团队：垂直布里奇曼法β-Ga₂O₃晶体生长过程中的内辐射传热研究

日期：2026-03-09阅读：73

由天津理工大学徐永宽教授的研究团队在学术期刊人工晶体学报发布了一篇名为Study of Internal Radiation During β-Ga₂O₃ Crystal Growth Process by Vertical Bridgman Method（垂直布里奇曼法β-Ga₂O₃晶体生长过程中的内辐射传热研究）的文章。

背景

β-Ga₂O₃ 作为一种超宽禁带半导体材料（~4.8 eV），在功率电子器件、深紫外探测以及高温恶劣环境下的应用中具有不可替代的优势。目前其单晶制备主要依靠熔体法，如导模法（EFG）、提拉法（CZ）等。相比于其他方法，垂直布里奇曼法（VB）由于其工艺简单、对生长设备精度要求相对较低以及在大尺寸制备方面的潜力，逐渐受到业界的关注。氧化镓的熔点高达 182 0°C 左右，且在近红外至可见光波段具有较高的透明度。在如此高的生长温度下，热传递不仅通过传导和对流进行，内辐射传热成为影响热场分布的决定性因素。由于氧化镓晶体和熔体对热辐射的半透明特性，热量可以直接穿透介质，导致热场分布偏离常规流体计算。如果不能准确模拟并控制内辐射，晶体生长过程中极易出现严重的温度梯度波动，进而诱发晶体开裂、应力增加或固液界面形状畸变，严重影响成品率。因此，深入探讨内辐射在 VB 法生长过程中的具体影响具有重要的工程指导意义。

主要内容

β相氧化镓晶体 (β-Ga₂O₃) 因具有超宽禁带特性成为高功率器件的关键材料，垂直布里奇曼法是目前最有机会实现商业化生长氧化镓单晶的方法。然而，氧化镓晶体与熔体的半透明性会引发显著的内辐射传热，该效应会影响晶体生长过程中的温场与流场，进而影响晶体质量。因此本文采用有限元软件 Comsol Multiphysics 建立 VB 法氧化镓晶体生长过程的传热数值模型，系统探究了内辐射传热对温场、熔体流场、固液界面和晶体热应力的影响规律。数值模拟结果表明，晶体内辐射会显著增强晶体热输运，来自固液界面的辐射热可以直接穿透半透明晶体至坩埚壁，降低晶体内部温度梯度与热应力，该辐射传热对固液界面产生直接辐射冷却，因此固液界面处温度有下降的趋势，为了维持熔点温度，固液界面必须向上部高温熔体移动，固液界面凸度增加。熔体内辐射也会影响熔体区域的热量传递，来自热区的辐射热会穿透熔体至固液界面，起到辐射加热固液界面的效果，因此固液界面向晶体侧移动，固液界面形状凸度变小，呈 W 型分布，但由于晶体等温线与热应力主要聚集在晶体底部，因此对晶体内部温度梯度与热应力影响很小。此外，本文还系统分析了内辐射传热对晶体/熔体吸收系数的敏感性，发现随着晶体吸收系数减小，晶体内辐射传热作用增强，熔体和晶体内温度梯度减小，晶体热应力减小，固液界面凸度增加，将导致溶质径向分布不均。随着熔体吸收系数的减小，熔体内辐射增强，晶体底部温度梯度与热应力略有下降，固液界面中心凸度变小，W 型分布更加明显，边缘更易多晶成核，进而影响晶体质量。