CN105970290B - 一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置。该装置包括构成单晶炉内多个热场部件，多个热场部件水平且同中心安装；热场中心内嵌有发热体和铱坩埚，由圆形感应线圈进行加热，发热体与铱坩埚分离，两者之间留有间隙；热场部件包括用于支撑铱反射屏的氧化锆内保温筒；覆盖在铱反射屏之上的上部保温部件，其上留有籽晶杆入口；环绕氧化锆内保温筒的中部保温部件；环绕铱坩埚和发热体的下部保温部件。该装置设计能够减少铱坩埚的损耗，有效抑制晶体内部杂质元素的含量，从而能够很好地抑制晶体内部缺陷，延长坩埚使用寿命，为实现大规模生产高质量、低成本的氧化镓单晶奠定了基础。

Description

一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置
技术领域
本发明涉及晶体材料生长技术，特别是涉及一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置。
背景技术
氧化镓材料禁带宽度为4.9eV，在深紫外区透过率可达80%左右，可用于制作紫外激光器，各种传感器元件及摄像元件。另外，它的击穿电场强度约为Si的20多倍，与SiC和GaN相比，采用氧化镓材料可制造出高耐压且低损耗的功率半导体元件，是一种很有前途的宽禁带氧化物半导体材料。然而，氧化镓熔点较高（1740-1820℃）,易挥发和分解，同时对坩埚腐蚀较为严重，因而晶体生长过程中容易引入杂质，产生较多缺陷。由于氧化镓熔点高，并且在熔点附近容易挥发和分解，因此，生长大尺寸单晶非常困难。目前，国内采用导模法制备氧化镓晶体最大尺寸仅为1英寸，不能够满足器件对大尺寸衬底的要求。一般生长氧化镓晶体采用导模法或提拉法，由于氧化镓熔体腐蚀性强，生长环境较为苛刻。
目前一般采用感应加热铱坩埚的方式生长氧化镓晶体。然而，这种加热方式对铱坩埚损耗大，并且会使得铱杂质大量掺入晶体中，从而使得晶体内部缺陷增加。因此，对氧化镓晶体生长装置提出了更高的要求：需要减小对铱坩埚的损耗，降低杂质元素的掺入，从而有效抑制晶体缺陷的产生。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于：针对氧化镓晶体生长过程中采用感应加热铱坩埚的方式导致晶体中产生大量的缺陷，提供了一种有效抑制晶体缺陷的生长装置。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置，其特征在于，该装置包括构成单晶炉内用于保温和加热热场的多个热场部件，多个热场部件水平且同中心安装；热场中心内嵌有发热体和铱坩埚，由圆形感应线圈同时对发热体以及铱坩埚进行加热，发热体与铱坩埚分离，两者之间留有间隙；热场部件包括用于支撑铱反射屏的氧化锆内保温筒，氧化锆内保温筒位于发热体之上，由发热体支撑；包括覆盖在铱反射屏之上的上部保温部件，其上留有籽晶杆入口；包括环绕氧化锆内保温筒的中部保温部件；还包括环绕铱坩埚和发热体的下部保温部件；各热场部件材料的纯度均为99.7%以上。
本发明产生的有益效果是：该装置设计能够减少铱坩埚的损耗，有效抑制晶体内部杂质元素的含量，从而能够很好地抑制晶体内部缺陷，延长坩埚使用寿命，为实现大规模生产高质量、低成本的氧化镓单晶奠定了基础。
本发明具有以下优点：
a.采用感应加热发热体的方式可以大大降低对铱坩埚的损害，延长坩埚使用寿命。
b. 可以有效减少铱坩埚中铱元素掺入晶体中，从而抑制了晶体内部缺陷的产生。
c. 发热体与铱坩埚分离，可以支撑氧化锆内保温筒并且能够防止部分外部杂质进入原料。
d.发热体外径为φ55-100mm，铱坩埚外径为φ40-80mm，可以生长1英寸到2英寸氧化镓晶体。
附图说明
图1为有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置示意图；
图2为图1中氧化锆内保温筒放大的剖面示意图；
图3为图1中铱反射屏放大的俯视示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
参照图1、图2和图3，本装置包括构成单晶炉内用于保温和加热热场的多个热场部件，多个热场部件水平且同中心安装；热场中心内嵌有发热体8和铱坩埚7，由圆形感应线圈10同时对发热体8以及铱坩埚7进行加热，发热体8与铱坩埚7分离，两者之间留有间隙；热场部件包括用于支撑铱反射屏9的氧化锆内保温筒4，氧化锆内保温筒4位于发热体8之上，由发热体8支撑；包括覆盖在铱反射屏9之上的上部保温部件2，其上留有籽晶杆入口1；包括环绕氧化锆内保温筒4的中部保温部件3；还包括环绕铱坩埚7和发热体8的下部保温部件6；各热场部件材料的纯度均为99.7%以上。
本装置的上部保温部件2、中部保温部件3和下部保温部件6均由厚度为25-50mm的氧化锆纤维板构成。
本装置的氧化锆内保温筒4厚度为6-12mm，外径为64-110mm，高度为40-100mm，其上端开一小凹槽4-1，用于放置铱反射屏9，凹槽深度为2.5-5mm。
本装置的氧化锆内保温筒4的侧壁上设有向上倾斜且与中部保温部件3连通的可视孔5。
本装置的铱反射屏9形状为中心开孔的铱圆片制成，厚度为2.5-4mm，直径为60-110mm，中心小孔9-1直径为35-60mm，且与籽晶杆入口1连通；铱反射屏9位于铱坩埚7正上方50-150mm。
本装置的铱坩埚7为圆形坩埚，外径为φ40-85mm，壁厚为2-4mm，高度为40-70mm，所述的铱坩埚7由纯度为99.9%的金属铱制成。
本装置的铱坩埚7底部设置用于测温的热电偶11。
本装置的铱坩埚7底部设置用于支撑铱坩埚的氧化锆垫片12。
本装置的发热体8为圆筒状，外径为φ55-100mm，上下开口，壁厚5-7mm，高度为55-90mm，由金属铱或者耐氧化、耐高温导电陶瓷制备。
本装置的铱坩埚7、发热体8和铱反射屏9的制备材料纯度均为99.95-99.999%。
实施例：本发明提供了一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置设计，同时适用于采用导模法或者提拉法生长大尺寸氧化镓晶体。具体可以采用以下步骤：
首先，在单晶炉内安装保温和加热热场部件，热场部件包括由氧化锆纤维板制成的围绕发热体8的下部保温部件6，铱坩埚7，对铱反射屏9起支撑作用的氧化锆内保温筒4，由氧化锆纤维板制成的上部保温部件2和中部保温部件3，铱反射屏9以及环绕保温构件群的圆形感应线圈10。各热场部件材料的纯度均高于99.7%。
发热体8与铱坩埚7分离，从而实现发热体8对氧化锆内保温筒4的支撑以及防止外来杂质的作用。发热体8为圆筒状，材料为金属铱制备，发热体外径为φ100mm，壁厚5mm，高度为60mm。铱坩埚7为圆形，坩埚外径为φ84mm，壁厚为3mm，高度为40mm。
为了便于实时观测晶体生长情况，在中部保温部件3（氧化锆纤维板）和氧化锆内保温筒4上开设一组视孔5。孔的形状不限，可以为椭圆形也可为长方形。可视孔5的方向与水平方向呈50度角向上倾斜，以获得最佳观测角度。
为了减小单晶炉内轴向和径向温度梯度，抑制晶体生长过程中出现开裂、解理和多晶现象，在铱坩埚正上方80mm位置安装中心开孔的圆形铱反射屏9，铱反射屏9厚度为3mm，直径为106mm，铱反射屏9中心小孔9-1直径为35mm，且与籽晶杆入口1连通。
为了便于固定铱反射屏9，采用上端开凹槽的氧化锆保温筒4，氧化锆内保温筒4厚度为6mm，外径为110mm，高度为75mm，上端开一小凹槽4-1，凹槽深度为5mm。
为了监测晶体生长温度，在铱坩埚7底部设置测温点-热电偶11，以便对整个晶体生长过程进行实时温度监测。
上述铱坩埚7、发热体8和铱反射屏9的制备材料纯度优选99.95-99.999%。
上述单晶炉内热场设计适合于2英寸氧化镓晶体生长。

Claims (10)

1.一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置，其特征在于，该装置包括构成单晶炉内用于保温和加热热场的多个热场部件，多个热场部件水平且同中心安装；热场中心内嵌有发热体（8）和铱坩埚（7），由圆形感应线圈（10）同时对发热体（8）以及铱坩埚（7）进行加热，发热体（8）与铱坩埚（7）分离，两者之间留有间隙；热场部件包括用于支撑铱反射屏（9）的氧化锆内保温筒（4），氧化锆内保温筒（4）位于发热体（8）之上，由发热体（8）支撑；包括覆盖在铱反射屏（9）之上的上部保温部件（2），其上留有籽晶杆入口（1）；包括环绕氧化锆内保温筒（4）的中部保温部件（3）；还包括环绕铱坩埚（7）和发热体（8）的下部保温部件（6）；所述发热体（8）为圆筒状，上下开口；所述铱反射屏（9）形状为中心开孔的铱圆片制成，铱反射屏（9）位于铱坩埚（7）正上方；各热场部件材料的纯度均为99.7%以上。
2.根据权利要求1所述的一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置，其特征在于，所述的上部保温部件（2）、中部保温部件（3）和下部保温部件（6）均由厚度为25-50mm的氧化锆纤维板构成。
3.根据权利要求1所述的一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置，其特征在于，所述的氧化锆内保温筒（4）厚度为6-12mm，外径为64-110mm，高度为40-100mm，其上端开一小凹槽（4-1），用于放置铱反射屏（9），凹槽深度为2.5-5mm。
4.根据权利要求3所述的一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置，其特征在于，在所述的氧化锆内保温筒（4）的侧壁上设有向上倾斜且与中部保温部件（3）连通的可视孔（5）。
5.根据权利要求1所述的一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置，其特征在于，所述的铱反射屏（9）的厚度为2.5-4mm，直径为60-110mm，中心小孔（9-1）直径为35-60mm，且与籽晶杆入口（1）连通；铱反射屏（9）位于所述的铱坩埚（7）正上方50-150mm。
6.根据权利要求1所述的一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置，其特征在于，所述的铱坩埚（7）为圆形坩埚，外径为φ40-85mm，壁厚为2-4mm，高度为40-70mm，所述的铱坩埚（7）由纯度为99.9%的金属铱制成。
7.根据权利要求6所述的一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置，其特征在于，所述的铱坩埚（7）底部设置用于测温的热电偶（11）。
8.根据权利要求7所述的一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置，其特征在于，所述的铱坩埚（7）底部设置用于支撑铱坩埚的氧化锆垫片（12）。
9.根据权利要求1所述的一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置，其特征在于，所述的发热体（8）的外径为φ55-100mm，上下开口，壁厚5-7mm，高度为55-90mm，由金属铱或者耐氧化、耐高温导电陶瓷制备。
10.根据权利要求1所述的一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置，其特征在于，所述的铱坩埚（7）、发热体（8）和铱反射屏（9）的制备材料纯度均为99.95-99.999%。
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