能源紧缺在新的世纪将对人类的生存和发展提出严峻的挑战,它带来了一系列的问题,比如全球气候变暖等。一方面人类现有的大规模使用的能源原料慢慢枯竭,另一方面能源利用效率相对低下,排放污染严重,而随着人类生活水平的不断提高,对有效能源的需求量却在迅猛增加。因此开发清洁能源以及提高使用效率,也就是发展低碳经济的历史使命迫在眉睫。相对于硅(Si)、砷化镓(GaAs),第三代半导体材料碳化硅(SiC)具有宽禁带、热导率高、临界击穿电场强度高以及载流子饱和漂移速度高等许多优点,用SiC晶体制作电力半导体器件可大幅提高器件的阻断电压和工作温度,降低通态电阻和开关损耗等。碳化硅晶体因其在物理性能上的这些显著的优势,目前已经广泛应用于半导体照明、航空航天、军工以及其他许多极端状况下的电子及光电子领域。十二五期间,我国将推动以碳化硅单晶和氮化镓单晶为代表的第三代半导体材料的产业化进程。　　 物理气相输运法(PVT)是实验室生长碳化硅单晶最常用的方法,该方法通常在2200摄氏度以上的高温下完成,该生长过程涉及到了诸多物理化学现象,涉及到的领域包括力学、电磁学、物理学、化学等等。目前我国碳化硅生长中存在成本高、产率低等问题。本文将针对这些问题进行碳化硅晶体生长的模型化研究,然后利用数值模拟的结果指导生长实验的优化设计。　　 本文建立了碳化硅PVT晶体生长的流动及传热传质模型,在该模型中,本文通过物质通量边界条件将N-S方程与描述晶体生长过程的生长动力学方程耦合起来,并运用有限体积法对气相传输区域内的温度场分布、SiC气体组分的浓度分布、混合气体的流场、晶体表面的过饱和度及晶体生长速率等进行了计算。　　 本文对PVT生长系统进行了优化设计,并对改进前后分别进行了数值计算,通过数值模拟结果分析研究了多个参数对碳化硅晶体生长的影响。另外通过结合本课题组自主研制的2-4英寸碳化硅单晶生长炉进行了碳化硅单晶生长实验。　　 本文的主要创新点为:　　 1。采用了流动-动力学耦合模型,同时考虑气体流动及界面生长动力学,通过出口边界条件在晶体界面实现了两者的耦合。假设PVT生长过程中气体凝华的速率与界面处碳化硅气体的过饱和度成正比。利用该流动一动力学模型对PVT系统进行了多场模拟研究。　　 2.本文在碳化硅晶体PVT生长中,引入了场协同原理,通过调节石墨坩埚内部参数设计,对生长室内的流场及浓度场等进行了调整。在非晶体区显著降低了SiC晶体生长的速度,抑制了多晶的生长。该理论大幅提高了SiC的单晶产率。　　 3.在碳化硅晶体生长研究中,精确掌握热流控制技术是对整个生长系统进行优化的关键,本文运用热流控制理论对碳化硅单晶PVT生长系统的轴向温度梯度及径向温度梯度进行调控,使得高温炉内的温度场及生长界面形貌具有稳定性。另外着重针对籽晶附近轴向温度梯度和径向温度梯度进行了优化,这使得SiC单晶质量显著提高。