人工晶体学报

作者：赵琪, 刘奕豪, 齐小方, 马文成, 徐永宽, 胡章贵

单位：天津理工大学功能晶体研究院，天津市功能晶体材料重点实验室，晶体材料全国重点实验室，天津 300384

关键词：氧化镓晶体,垂直布里奇曼法,内辐射传热,热应力,数值模拟,

基金：国家自然科学基金(51906086);国家自然科学基金(52327801)

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（VB）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，晶体内辐射传热会显著增强晶体热输运，来自固液界面的辐射传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。熔体内辐射传热也会影响熔体区域的热量传递，来自热区的辐射传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，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。

来源：2026年第3期

《人工晶体学报》期刊编辑部

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