CN102465335A - 一种用于半导体材料热壁外延生长系统的加热装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于半导体材料热壁外延生长系统的加热装置，包括射频加热器和石墨套筒，石墨套筒设置在射频加热器的感应加热线圈中，石墨套筒的内壁和外壁包覆有导热非易燃绝缘层，并置于惰性气体环境中。本发明采用射频加热石墨套筒的方式，可以快速升降温，具有节能，使用寿命长，无需维修等优点。由于感应线圈可以做大直径，因而可以加热大尺寸的石墨套筒来实现大面积反应腔体的快速加热。
Description
技术领域
本发明涉及半导体材料生长系统，具体为一种用于半导体材料热壁外延生长系统的加热装置。
背景技术
以GaN及InGaN、AlGaN合金材料为主的III-V族氮化物材料(又称GaN基材料)是近几年来国际上倍受重视的新型半导体材料。GaN基材料是直接带隙宽禁带半导体材料，具有1.9-6.2eV之间连续可变的直接带隙，优异的物理、化学稳定性，高饱和电子漂移速度，高击穿场强和高热导率等优越性能，在短波长半导体光电子器件和高频、高压、高温微电子器件制备等方面具有重要的应用，用于制造比如蓝、紫、紫外波段发光器件、探测器件，高温、高频、高场大功率器件，场发射器件，抗辐射器件，压电器件等。
GaN基材料的生长有很多种方法，如金属有机物气相外延(MOCVD)、高温高压合成体GaN单晶、分子束外延(MBE)、升华法以及氢化物气相外延(HVPE)等。由于GaN基材料本身物理性质的限制，GaN体单晶的生长具有很大的困难，尚未实用化。氢化物气相外延由于具有高的生长率和横向-纵向外延比，可用于同质外延生长自支撑GaN衬底，引起广泛地重视和研究。
和MOCVD冷壁外延不同的是，HVPE生长的化学反应是歧化反应，需在热壁外延，即环境温度需略高于衬底温度的条件下进行。由于传统HVPE生长系统一般采用电阻丝加热，加热受反应腔体直径等的限制，腔体直径太大，温度上升慢，温度不易达到均匀分布，并且电阻炉电流太大，容易发生故障，比如电阻丝熔断、氧化等降低使用寿命。此外电阻丝加热存在热传导损失，并导致环境温度上升，另外电阻丝加热还有一个缺点就是功率密度低，在一些需要温度较高的场合就无法适应了。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有的热壁外延生长系统的加热方式不能满足使用需求，升降温速度慢，对于超大直径反应腔体不适合，并且易损坏。
本发明的技术方案为：一种用于半导体材料热壁外延生长系统的加热装置，包括射频加热器和石墨套筒，石墨套筒设置在射频加热器的感应加热线圈中，石墨套筒的内壁和外壁包覆有导热非易燃绝缘层，用石英管或陶瓷管做进一步的隔离，并置于惰性气体环境中，热壁外延生长系统的生长恒温区在石墨套筒内，通过石英管或者刚玉管与石墨套筒及射频加热器分隔开。惰性气体可以提高石墨套筒作为加热器组件的寿命，防止石墨套筒与氧气接触从而破坏包覆层进而使石墨氧化并气化并消失。
优选射频加热器为超音频电磁感应加热器。石墨套筒放入感应加热线圈中，利用电磁感应加热原理，产生交变磁场在石墨中产生出同频率的感应电流，加热石墨套筒，将电能转换成热能。如采用频率为1000-30000Hz的超音频感应加热，可以在几秒钟、几分钟内使石墨套筒表面和内部温度上升到1000～1500摄氏度，从而在石墨套筒内部的空间形成温场，满足材料生长的需要。
优选石墨套筒内壁和外壁包覆BN陶瓷或SiC。
本发明可与其他加热方式串联组合使用，如与电阻炉串联组合为多温区加热系统使用。
本发明针对热壁外延的半导体材料生长系统设计了一种新型加热装置，该加热装置具有加热升温速度快，可以用于大口径反应腔体加热，从而也可以实现半导体材料的多片式生长，以提高产量。
本发明关键在于采用石墨套筒作为加热器组件实现了热壁外延环境，和传统的用电阻丝加热实现热壁外延环境不同，具有使用寿命长、升降温速率快、无需维修等优点，而且可以用来实现大直径的热壁外延环境，因为射频加热线圈和石墨都很容易加工超大直径尺寸。对于想通过扩大反应腔体积大批量实现GaN生长的热壁外延生长系统非常有用。
本发明的有益效果是：采用射频加热石墨套筒的方式，可以快速升降温，具有节能，使用寿命长，无需维修等优点。本发明加热均匀，可以保证HVPE系统生长区的快速均匀加热，由于感应线圈可以做超大直径，因而可以加热大尺寸的石墨套筒来实现大面积反应腔体的快速加热，实现半导体材料的大批量生产。
附图说明
图1新型半导体材料生长系统快速加热装置结构示意图，石墨外层包覆BN、SiC等导热非易燃绝缘层，并置于惰性气体环境中，通过射频线圈的匝数和线圈间隙等来控制恒温区的长度。
具体实施方式
本发明采用射频加热方式，如图1所示，石墨套筒设置在射频加热器的感应加热线圈中，通过射频方式加热石墨套筒，形成热壁环境，石墨套筒内设置半导体生长系统的反应腔，反应腔内为石墨支托，生长的半导体材料样品放置在石墨支托上。射频加热的原理是：射频加热器的感应器一般是输入中频或高频交流电(1000～300000Hz或更高)的空心铜管。将导电的石墨套筒放入感应加热线圈中，利用电磁感应加热原理，产生交变磁场在石墨中产生出同频率的感应电流，加热石墨套筒，将电能转换成热能。如采用频率为1000-30000Hz的超音频感应加热，可以在几秒钟、几分钟内使石墨套筒表面和内部温度上升到1000～1500摄氏度。因为超音频电磁感应加热器中的加热圈本身并不发热，而且是采用绝缘材料和高温电缆或者紫铜管制造，所以不存在电阻装置加热时电阻丝在高温状态下氧化而缩短使用寿命的问题，具有使用寿命长、升降温速率快、无需要维修等优点。
本发明石墨套筒包覆BN陶瓷、SiC等导热非易燃绝缘层，用石英管或陶瓷管做进一步的隔离，如图1示，并置于惰性气体环境中，以防止石墨被氧化从而气化消失。
本发明采用射频加热石墨套筒的方式，可以快速升降温，具有节能，使用寿命长，无需维修等优点。由于感应线圈可以做大直径，因而可以加热大尺寸的石墨套筒来实现大面积反应腔体的快速加热。
本发明实施例：采用该方式设计研制了立式HVPE生长系统，进行了材料生长系统的升降温和材料生长研究，在从室温升至1100摄氏度，最快仅需2分钟。
本发明还可与其他加热方式串联组合使用，如与电阻炉串联组合为多温区加热系统使用，灵活满足外延生长系统的加热需求。
现有技术中，常用的都是CVD冷壁外延的加热方式，只需要加热衬底支托。而热壁外延实际上要求环境温度比衬底支托温度要稍高。要实现大面积大批量的高温热壁环境，采用一般的电阻丝加热很难的。这是本发明发明的创新的地方。
本发明的石墨套筒内壁和外壁包覆有BN陶瓷或SiC，并置于惰性气体环境中，石墨套筒作为生长系统的整体反应腔体的加热组件，和反应腔体之间是分隔开的，在石墨套筒内部形成温度环境以后，对外延生长系统的生长区进行加热，本发明在具体使用时，石墨套筒可以包覆在反应腔体外，也可以设置于反应腔体内，但是必须与反应气体分隔开以防止污染，本发明中石墨套筒的包覆有BN陶瓷或SiC，并且外面还可以采用石英管或者刚玉管包围起来，保证了分隔。
本发明是一种新型的加热装置，特别适用于一次大批量生产的热壁外延生长系统。以往的立式HVPE都是采用电阻丝加热，受电阻丝绕制和炉膛直径的限制，无法做到一次大批量生产，一次只能长少量产品，最多不超过3片。卧式HVPE目前采用电阻丝加热方式的，不超过11片，而且系统长达7米。而本发明如果用于立式HVPE中，最大一次可以实现50片以上的生长，具有显著的进步。
Claims (5)
1.一种用于半导体材料热壁外延生长系统的加热装置，其特征是包括射频加热器和石墨套筒，石墨套筒设置在射频加热器的感应加热线圈中，石墨套筒的内壁和外壁包覆有导热非易燃绝缘层，并置于惰性气体环境中，热壁外延生长系统的生长恒温区在石墨套筒内，通过石英管或者刚玉管与石墨套筒及射频加热器分隔开。
2.根据权利要求1所述的一种用于半导体材料热壁外延生长系统的加热装置，其特征是射频加热器为超音频电磁感应加热器，频率为1000-300000Hz。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于半导体材料热壁外延生长系统的加热装置，其特征是石墨套筒内壁和外壁包覆BN陶瓷或SiC。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于半导体材料热壁外延生长系统的加热装置，其特征是与其他加热方式串联组合为多温区加热系统使用。
5.根据权利要求3所述的一种用于半导体材料热壁外延生长系统的加热装置，其特征是与其他加热方式串联组合为多温区加热系统使用。
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