【会员论文】天津理工大学齐小方副研究员团队：基于双热源耦合激光浮区法对 β-Ga₂O₃ 晶体温度场与热应力的数值研究

日期：2026-06-05阅读：12

由天津理工大学齐小方副研究员的研究团队在学术期刊 CrystEngComm 发布了一篇名为 Numerical investigation of temperature field and thermal stress of β-Ga₂O₃ crystal by dual heat source coupled laser floating zone method（基于双热源耦合激光浮区法对 β-Ga₂O₃ 晶体温度场与热应力的数值研究）的文章。

背景

β‑Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，在大功率电子器件、深紫外探测器等领域具有重要应用价值。传统激光浮区法（T‑LFZ）生长 β‑Ga₂O₃ 晶体时温度梯度过大、冷却过快，易产生严重热应力与开裂问题；主流 EFG、Cz、VB 等方法需使用贵金属坩埚，成本高昂。传统 LFZ 缺乏主动温场调控手段，无法有效抑制热应力与晶体开裂，针对双热源耦合激光浮区法（DHC‑LFZ）的温场‑热应力调控机制与数值模拟研究仍存在空白。

主要内容

该团队提出一种双热源耦合激光浮区法（DHC‑LFZ）系统，以解决传统激光浮区法（T‑LFZ）生长 β‑Ga₂O₃ 单晶时面临的严重热应力与开裂问题。核心创新在于将辅助电阻加热器集成到传统激光浮区装置中，实现对温度梯度的主动调控。该团队建立了包含热传导、熔体对流、界面演化、辐射与应力耦合的多物理场有限元模型。结果表明，引入优化后的辅助热源后，DHC‑LFZ 系统有效稳定了熔‑晶界面，轴向与径向温度梯度分别降低 46% 与 50.5%，最大轴向与径向热应力分别降低 49.4% 与 58.9%，显著改善了结晶环境。该工作阐明了温场调控与晶体质量关联的内在机制，为大尺寸 β‑Ga₂O₃ 晶体的低应力生长提供了可行路径。

创新点

•提出双热源耦合激光浮区法（DHC LFZ），通过辅助电阻加热器实现 β-Ga₂O₃ 晶体生长温场主动调控。

•建立热传导-对流-辐射-应力多物理场耦合模型，实现熔区流动与界面形貌精准模拟。

•证实背景温度升高可同步降低温度梯度与热应力，轴向与径向最大热应力分别降低 49.4% 与 58.9%。

•揭示温度梯度与热应力呈强线性关联，为宽禁带半导体晶体生长应力优化提供定量理论依据。

结论

该团队建立了完整的多物理场模型模拟 β‑Ga₂O₃ 晶体生长，对比了传统激光浮区法（T‑LFZ）与新型双热源耦合激光浮区法（DHC‑LFZ）系统，阐明了不同温场设计对传热、熔体流动、界面形貌与热应力的影响，定量揭示了背景温度（BT）对 DHC‑LFZ 系统的调控机制，主要结论如下：

(1) DHC‑LFZ 系统的双热源设计从根本上优化了生长环境，通过减小轴向温差提升温场均匀性，降低径向温度梯度以抑制熔体流动，动态稳定相变界面，最终显著降低晶体热应力。

(2) 升高背景温度可有效调控熔区特性，熔体最高温度降低 102 K，流动速度下降 39.9%；在热力学平衡重构、马兰戈尼效应抑制与吉布斯‑汤姆逊效应共同作用下，熔‑料与熔‑晶界面曲率分别降低 30.5% 与 18.0%，使界面更平整稳定。

(3) DHC‑LFZ 系统显著抑制热应力，轴向与径向最大温度梯度分别降低 46% 与 50.5%，对应最大轴向与径向热应力分别降低 49.4% 与 58.9%，晶体内部低应力区域扩大，开裂风险显著降低。

(4) 最大温度梯度与最大热应力之间呈强线性关联，二者降低速率保持恒定比值，定量证实温度梯度是控制热应力大小的主导因素，为宽禁带半导体晶体生长的应力优化提供了明确理论依据。

项目支持