【会员论文】华润微电子中央研究院联合武汉大学张召富教授团队：垂直布里奇曼法生长β-Ga₂O₃单晶热场优化和应力分布的数值模拟

日期：2026-04-16阅读：29

由华润微电子中央研究院团队联合武汉大学张召富教授团队在学术期刊 Semiconductor Science and Technology 发布了一篇名为A Numerical simulation on the thermal field optimization and stress distribution in β-Ga₂O₃ single crystal grown by vertical Bridgman method（垂直布里奇曼法生长 β-Ga₂O₃ 单晶热场优化和应力分布的数值模拟）的文章。

背景

β相氧化镓（β-Ga₂O₃）作为一种新兴的超宽禁带（UWBG）半导体，在下一代高功率、高电压电子器件以及深紫外光电器件中具有极具竞争力的应用前景。受限于氧化镓晶体材料脆性大且热导率具有各向异性，在生长和冷却过程中极易因热应力集中而导致晶体开裂，难以实现稳定的批量化生产。垂直布里奇曼法具有温度梯度可控、能够生长柱状晶体、及工艺稳定等显著优点，是实现氧化镓单晶衬底批量生产的理想选择之一。由于垂直布里奇曼法难以实时观测炉腔内部的热场演变，有限元模拟（FEM）成为了理解和优化晶体生长过程的不可或缺的工具。通过模拟可以精确获取生长系统内的温度分布、热流方向以及应力演变规律，从而为实验提供理论指导。本研究旨在通过建立耦合热-力学模型，探讨加热器配置和坩埚几何形状对 β-Ga₂O₃ 单晶生长过程中热场稳定性和应力分布的影响，以期解决生长过程中的开裂和晶体质量劣化的难题。

主要内容

氧化镓是一种新兴的超宽禁带半导体，在电力电子领域具有巨大潜力，但大尺寸晶体的生长仍受缺陷和良率问题的制约。本研究建立了一个热-力多物理场有限元模型，用于分析采用垂直布里奇曼法生长氧化镓晶体时的热场及应力分布。结果表明，垂直布里奇曼生长系统中，热辐射为主导传热方式。多加热器配置可降低能耗并提高炉内径向均匀性，但中间隔热层造成的辐射屏蔽会增加轴向梯度。应力分析表明，由于晶体与坩埚的热膨胀系数不匹配，应力主要集中在晶体肩部和等径生长区域，而更大的放肩角度能有效缓解单晶生长过程中的应力。这些发现突显了加热器-隔热层协同优化与坩埚设计的重要性，为生长高质量、大直径的氧化镓单晶提供了理论指导。

创新点

•建立了涵盖全局热场、流体流动及机械应力的三维有限元模型，系统分析了 VB 法生长 β-Ga₂O₃ 的复杂物理过程。

•相同温度条件下，生长系统的轴向温度梯度和径向温度梯度具有非同步变化趋势，辐射与传导能量密度的量化分析证实了热辐射取代热传导成为主要的热量交换途径。

•深入探讨了坩埚放肩角度对温度和应力的影响，研究表明较大的放肩角度有助于缩短机械约束区域，从而有效缓解热应力积累。

总结

本文建立了一个热-力多物理场耦合的有限元模型，用于研究垂直布里奇曼法生长β-Ga₂O₃ 单晶的过程，重点探讨了加热器配置、隔热设计和坩埚几何形状的关键影响。多种传热模型的量化分析证实，辐射是炉内主要的传热机制。多加热器配置可提高径向温度均匀性并降低能耗，但与单加热器情况相比，中间隔热层的辐射屏蔽会增加轴向温度梯度。单加热器配置有利于生长稳定性，其轴向温度波动较小；而多加热器配置则能最小化径向梯度，有助于抑制开裂并促进晶体直径增长。由于晶体与坩埚之间的热膨胀不匹配，热应力主要集中在晶体放肩区域，而更大的肩角能有效缓解应力积聚。总体而言，优化加热器-隔热层设计和坩埚几何形状对于稳定温度梯度、制备高质量的大直径 β-Ga₂O₃ 晶体至关重要。

项目支持

本研究得到湖北省重点项目（JD）（2023BAA009）、国家自然科学基金（52302046、L2424216）以及湖北电子制造与封装集成重点实验室（武汉大学）开放基金（EMPI2025011）的资助。本文中的数值计算是在武汉大学超级计算中心集群计算系统上完成的。