Convection thermo-solutale et ségrégations chimiques lors de la solidification Bridgman d'alliages semiconducteurs concentrés sous champs externes

Thermosolutal convection and solute segregation in vertical Bridgman solidification of the concentrated semiconductor alloys under external fields

• Auteur / Autrice : Carmen Stelian
• Direction : Thierry Duffar, Yves Delannoy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et génie des matériaux
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Grenoble INPG

Résumé

La simulation numérique a été utilisée pour étudier l'influence de la convection thermo-solutale sur les ségrégations chimiques lors de la solidification Bridgman d'alliages GaInSb concentrés. Les résultats numériques en accord avec les résultats expérimentaux montrent un fort amortissement solutal de la convection thermique pendant la solidification des alliages concentrés solidifies rapidement. A la suite de cet amortissement solutal, les ségrégations chimiques augmentent et l'interface devient morphologiquement instable. A partir d'un calcul analytique qui prend en compte l'effet solutal sur la convection et la courbure de l'interface, deux méthodes ont été proposées pour éviter l'amortissement de l'écoulement et pour améliorer la qualité des cristaux : a) la croissance Bridgman à vitesses faibles et variables ; b) la croissance Bridgman sous champ magnétique alternatif. La simulation numérique et les expériences montrent que les cristaux obtenus en utilisant des vitesses de croissance faibles sont plus homogènes et leur qualité structurale est améliorée par rapport aux cristaux obtenus à grandes vitesses. La modélisation de la solidification d'alliages concentrés sous champ magnétique alternatif montre des ségrégations chimiques et courbures de l'interfaces faibles. Cependant, il est difficile d'obtenir expérimentalement les conditions optimales imposées par la simulation numérique.

Numerical simulation is used in order to analyse the influence of the thermosolutal convection on the chemical segregation during the Bridgman solidification of GaInSb concentrated semiconductor alloys under external fields. The numerical results in agreement with the experimental data show a strong solutal damping effect on the thermally driven convection when the solidification of the concentrated alloys occurs at fast pulling rates of the crucible. As a consequence, the chemical segregation increases and the solid-liquid interface becomes morphologically unstable. The analytical calculations which describe the solutal effect on the melt convection and the interface curvature show that the damping solutal effect can be avoided and the quality of crystals is improved in two cases: a) when the Brigman growth occurs at low and variable pulling rates; b) when the solidification occurs under alternating magnetic fields. The numerical simulation and the experimental results show that the crystals obtained at low pulling rates are more homogeneous than the alloys solidified at fast pulling rates. The modelling of the concentrated alloys solidification under alternating magnetic fields show that the chemical segregations and the interface curvatures are maintained at lower values, but, generally, is difficult to achieve the experimental conditions required by the simulation.