CN108707964A - 用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚及料锭 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚及料锭，所述区熔坩埚的型腔包括柱状型腔体和底座，所述柱状型腔体的形状与束流坩埚内腔形状相同；或者，所述柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割后的切割体形状相同；所述柱状型腔体的半径小于所述束流坩埚的内腔半径。本发明区熔坩埚制备的料锭实现了增大束流坩埚的装料量，同时提高了束流稳定性。

Description

用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚及料锭

技术领域

本发明涉及分子束外延材料，具体涉及一种用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚和分子束外延束流源的料锭。

背景技术

分子束外延技术使用的坩埚一般为锥形束流坩埚，通常为裂解氮化硼(PBN)材质，该束流坩埚使用过程中最大的缺陷是装料量较小。改进后的束流坩埚为圆柱形的形状，装料量明显提升。但是由于分子束外延技术使用的原料一般是采用水平区熔法获得(单质材料)或者由晶体生长得到(化合物材料)。对于使用水平区熔法获得的原料要么是形状较大的大块材料，要么是颗粒状的材料。若采用大块材料需要经过砸料(将大块材料砸碎)称重等过程，导致原料外形不确定或是在使用过程中原料颗粒与颗粒之间熔融粘接造成材料比表面积不稳定，给束流稳定性的提高造成了较大的困难。若采用颗粒(碎料)之间空隙较大，又降低了圆柱型束流坩埚的装料量。

综上所述，现在圆柱型束流坩埚仍然存在装料量小，且束流不稳定性的问题。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚和分子束外延束流源的料锭以便提供一种解决上述问题，实现增大束流坩埚的装料量，同时提高束流稳定性。

依据本发明的一个方面，提供一种用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚，所述区熔坩埚的型腔包括柱状型腔体和底座，所述柱状型腔体的形状与束流坩埚内腔形状相同；或者，所述柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割后的切割体形状相同；所述柱状型腔体的半径小于所述束流坩埚的内腔半径。

可选地，本发明所述方法中，所述型腔的底座设有弧面或球面，用于形成料锭限位部。

可选地，本发明所述方法中，当所述柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割后的切割体形状相同时，所述区熔坩埚的柱状型腔体横截面呈扇形。

可选地，本发明所述方法中，所述区熔坩埚为竖直区熔坩埚，所述竖直区熔坩埚的型腔开口沿所述竖直区熔坩埚的径向设置；所述竖直区熔坩埚的柱状型腔体的形状与束流坩埚内腔形状相同；或者，所述竖直区熔坩埚的柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割后的切割体形状相同。

可选地，本发明所述方法中，所述区熔坩埚为水平区熔坩埚，所述水平区熔坩埚的型腔开口沿所述水平区熔坩埚的轴向设置，所述水平区熔坩埚的柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割后的切割体形状相同。

可选地，本发明所述方法中，所述水平区熔坩埚的型腔的与底座相向端设有向外倾斜用于脱模的斜面，形成脱模端。

可选地，本发明所述方法中，所述脱模端设有倒角。

依据本发明的第二个方面，提供一种分子束外延束流源的料锭，所述料锭通过上述所述的用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚制得。

可选地，本发明所述料锭中，所述料锭为一体结构。

可选地，本发明所述料锭中，所述料锭由多块料锭块拼接而成。

与现有技术相比，本发明的效果如下：

本发明提供用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚和分子束外延束流源的料锭，通过该区熔坩埚制备的料锭能够实现如下效果：

1.料锭的重量在区熔之前由区熔坩埚体积即可计算得出，不需要砸料和称量，提高了束流坩埚每次装料的效率。

2.该料锭使束流坩埚装料量明显提升，延长了使用时间，减少了更换原料的次数。

3.束流稳定性提高。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明第一实施例提供的竖直区熔坩埚的结构示意图；

图2是本发明第一实施例中图1提供的竖直区熔坩埚的俯视图；

图3是本发明第一实施例中现有碎料与本发明制备的料锭使用情况对比图；

图4是本发明第三实施例提供的水平区熔坩埚的结构示意图；

图5是本发明第三实施例中图4的A-A剖视图；

图6是本发明第三实施例中图4的B-B剖视图；

图7是本发明料锭放置在束流坩埚中的结构示意图；

图8是本发明区熔坩埚的底座为异型结构制备的料锭放置在束流坩埚中的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚，区熔坩埚的型腔包括柱状型腔体和底座，柱状型腔体的形状与束流坩埚4内腔形状相同，本实施例中，该束流坩埚4可以是圆柱型或圆锥型，也可以是外形类似圆柱外形的束流坩埚，束流坩埚内腔形状是指由束流坩埚内侧壁构成的形状，束流坩埚即PBN坩埚。柱状型腔体的半径小于束流坩埚的内腔半径，用于使该区熔坩埚制得的料锭间隙配合在束流坩埚内侧壁。

在本发明的一个具体实施例中，如图1和图2所示，区熔坩埚为竖直区熔坩埚1，竖直区熔坩埚1的型腔开口沿竖直区熔坩埚的径向设置；竖直区熔坩埚的柱状型腔体的形状与束流坩埚内腔形状相同。该区熔坩埚为石英坩埚，区熔坩埚的型腔壁厚、型腔长度根据实际情况可以进行调整，对此本实施例不作进一步地限制。通过该区熔坩埚一次成型料锭3，使每次装料的效率提高，且料锭3的重量在区熔之前由区熔坩埚型腔的体积即可计算得出，不需要砸料和称量。

在本发明的一个可选实施例中，区熔坩埚的型腔的底座设有弧面或球面，用于形成料锭限位部。该限位部用于与束流坩埚底部中心的定位孔形成限位，保证料锭在束流坩埚内的稳定性。便于取放料锭，且避免尖角造成料锭与束流坩埚之间的磕碰，防止了掉料。为了更加贴合束流坩埚，也可以将型腔的底座设计成更为复杂的异形结构形状，需要注意异形结构的料锭所需质量不容易计算，在装料时也会增加难度。因此本发明的型腔底座呈球面为最佳实施例。

本发明采用柱状型腔体的形状与束流坩埚内腔形状相同，使通过该区熔坩埚制备的料锭尽可能满足整体性即料锭的外形尽可能为一块，使制备的料锭贴近束流坩埚的外形，从而避免了束流时使用砸料和颗粒状料；针对同一型号的束流坩埚，相对于现有装流量可由350g增加到450g，增幅约提高30％，提高了束流坩埚的装料量；同时使分子束外延束流源使用时间延长，减少了更换原料的次数。由于不再使用碎料，碎料之间的不可控的缝隙空间消除，如图3所示使用新的料锭后，不仅次数得到延长，且同一束流强度的使用温度更低，整体温度变化曲线更加舒缓平稳且最高值与最低值之间的差值更小，新料锭的使用更加稳定，易于获得平稳的束流。

在本发明的第二实施例中，本发明提供一种用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚，区熔坩埚的型腔包括柱状型腔体和底座，柱状型腔体的形状与将束流坩埚4的内腔沿轴向中心线均匀切割后的切割体形状相同，区熔坩埚的柱状型腔体横截面呈扇形，柱状型腔体的半径小于束流坩埚的内腔半径。本实施例中，该束流坩埚可以是圆柱型或圆锥型，也可以是外形类似圆柱外形的坩埚，束流坩埚4内腔形状是指由束流坩埚内侧壁构成的形状。本实施例中，柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割成两个、或者三个或者四个后的切割体形状相同，对此本实施例不作进一步地限制。

在本发明的一个具体实施例中，区熔坩埚为竖直区熔坩埚，竖直区熔坩埚的型腔开口沿竖直区熔坩埚的径向设置；柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割后的切割体形状相同。该区熔坩埚为石英坩埚，区熔坩埚的型腔壁厚、型腔长度根据实际情况可以进行调整，对此本实施例不作进一步地限制。

在本发明的一个可选实施例中，型腔的底座设有弧面或球面，用于形成料锭限位部，该限位部用于与束流坩埚底部中心的定位孔形成限位，保证料锭在束流坩埚内的稳定性，便于取放料锭，且避免了尖角造成料锭与束流坩埚之间的磕碰，防止了掉料。为了更加贴合束流坩埚，也可以将型腔的底座设计成更为复杂的异形结构形状，需要注意异形结构的料锭所需质量不容易计算，在装料时也会增加难度。因此本发明的型腔底座呈球面为最佳实施例。

本发明采用柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割后的切割体形状相同，通过该区熔坩埚制备的料锭块拼接呈束流坩埚的内腔形状，且满足使用尽可能少的数量拼接而成，使制备的料锭贴近束流坩埚的外形，从而避免了束流时使用砸料和颗粒状料；使每次装料的效率提高，且料锭的重量在区熔之前由区熔坩埚型腔的体积即可计算得出，不需要砸料和称量；针对同一型号的束流坩埚，相对于现有装流量可由350g增加到450g，增幅约提高30％，提高了束流坩埚的装料量；同时使分子束外延束流源使用时间延长，减少了更换原料的次数。由于不再使用碎料，碎料之间的不可控的缝隙空间消除，使用新的料锭后，不仅次数得到延长，且同一束流强度的使用温度更低，整体温度变化曲线更加舒缓平稳且最高值与最低值之间的差值更小，新料锭的使用更加稳定，易于获得平稳的束流。

在本发明的第三实施例中，本发明提供一种用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚，区熔坩埚的型腔包括柱状型腔体和底座，柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割后的切割体形状相同，区熔坩埚的柱状型腔体横截面呈扇形，柱状型腔体的半径小于束流坩埚的内腔半径。本实施例中，该束流坩埚可以是圆柱型或圆锥型，也可以是外形类似圆柱外形的坩埚，束流坩埚内腔形状是由沿束流坩埚内侧壁构成的形状。本实施例中，柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割成两个或者三个或者四个后的切割体形状相同。对此本实施例不作进一步地限制。

在本发明的一个具体实施例中，如图4、图5和图6所示，区熔坩埚为水平区熔坩埚2，水平区熔坩埚2的型腔开口沿水平区熔坩埚的轴向设置，水平区熔坩埚的柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割后的切割体形状相同。本实施例中，水平区熔坩埚2的柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割成两个后的切割体形状相同，水平区熔坩埚的柱状型腔体横截面呈半圆形，该区熔坩埚为石英坩埚，区熔坩埚的型腔壁厚、型腔长度根据实际情况可以进行调整，对此本实施例不作进一步地限制。

在本发明的一个可选实施例中，型腔的底座设有弧面或球面，用于形成料锭限位部。该限位部用于与束流坩埚底部中心的定位孔形成限位，保证料锭在束流坩埚内的稳定性，便于取放料锭，且避免尖角造成料锭与束流坩埚之间的磕碰，防止了掉料。为了更加贴合束流坩埚，也可以将型腔的底座设计成更为复杂的异形结构形状，需要注意异形结构的料锭所需质量不容易计算，在装料时也会增加难度。因此本发明的型腔底座呈球面为最佳实施例。

在本发明的又一可选实施例中，水平区熔坩埚的型腔的与底座相向端设有向外倾斜用于脱模的斜面，形成脱模端。该斜面与垂直线之间的夹角范围是0～30°，便于料锭从水平区熔坩埚中脱模。

进一步地，本发明实施例中，脱模端设有倒角。该倒角采用曲率半径为0～15mm的倒角，该倒角便于区熔冷却后取出料锭，及避免尖角造成料锭与束流坩埚之间的磕碰，防止了掉料。

下面通过具体示例，对本发明实施例的实施过程进行详细说明。

示例一

本发明以制备半径为15mm的圆柱体料锭为例，该料锭由两个半径为15mm的半圆柱构成，该圆柱体料锭的半径小于束流坩埚的内径，该设计尺寸是为了保证两个半圆柱的料锭在形成圆柱体后与PBN坩埚之间留有一定的缝隙，降低装配难度，也便于在分子束外延时束流流出。因此制备该料锭的区熔坩埚的柱状型腔体为半圆柱，柱状型腔体横截面为半圆形，该柱状型腔体半径为15mm，该区熔坩埚采用石英坩埚，柱状型腔体的壁厚2mm，柱状型腔体的长度为90mm，壁厚和长度可根据具体使用条件进行设计。水平区熔坩埚型腔的底座(即右端)设有球面，形成料锭限位部；水平区熔坩埚型腔的与底座相向端(即左端)设有向外倾斜用于脱模的斜面，形成脱模端，该斜面与垂直线之间的夹角为5°，该脱模端设有曲率半径R5为5mm的圆弧倒角，便于从区熔坩埚中取出料锭。通过该水平区熔坩埚能够制备两个实心半圆柱体，通过将两个实心半圆柱体拼接呈一个圆柱体，并没有较大的空间浪费，可使得装料量明显提示。

本发明采用柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割后的切割体形状相同，通过该区熔坩埚制备的料锭块拼接呈束流坩埚的内腔形状，且满足使用尽可能少的数量拼接而成，使制备的料锭贴近束流坩埚的外形，从而避免了束流时使用砸料和颗粒状料；使每次装料的效率提高，且料锭的重量在区熔之前由区熔坩埚型腔的体积即可计算得出，不需要砸料和称量；针对同一型号的束流坩埚，相对于现有装流量可由350g增加到450g，增幅约提高30％，提高了束流坩埚的装料量；同时使分子束外延束流源使用时间延长，减少了更换原料的次数。由于不再使用碎料，碎料之间的不可控的缝隙空间消除，使用新的料锭后，不仅次数得到延长，且同一束流强度的使用温度更低，整体温度变化曲线更加舒缓平稳且最高值与最低值之间的差值更小，新料锭的使用更加稳定，易于获得平稳的束流。

在本发明的第四实施例中，提供一种分子束外延束流源的料锭，料锭通过第一实施例、第二实施例或者第三实施例的用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚制得。

采用第一实施例的用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚制得的料锭为一体结构。由于在第一实施例中已经对用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚做了具体说明，本实施例在此不再赘述。图7是制得的料锭3的限位部为球面，并将该料锭放置在束流区熔坩埚4内的使用情况。图8是制得的料锭3的限位部为异形结构，并将该料锭放置在束流区熔坩埚4内的使用情况。

采用第二实施例或者第三实施例的用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚制得料锭块，然后将制得的两块或者三块等多块料锭块拼接成与束流坩埚内腔形状相同的形状。由于在第二、第三实施例中已经对用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚做了具体说明，本实施例在此不再赘述。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚，其特征在于，所述区熔坩埚的型腔包括柱状型腔体和底座，所述柱状型腔体的形状与束流坩埚内腔形状相同；或者，所述柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割后的切割体形状相同；所述柱状型腔体的半径小于所述束流坩埚的内腔半径。

2.根据权利要求1所述的区熔坩埚，其特征在于，所述型腔的底座设有弧面或球面，用于形成料锭限位部。

3.根据权利要求1所述的区熔坩埚，其特征在于，当所述柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割后的切割体形状相同时，所述区熔坩埚的柱状型腔体横截面呈扇形。

4.根据权利要求1或2或3所述的区熔坩埚，其特征在于，所述区熔坩埚为竖直区熔坩埚，所述竖直区熔坩埚的型腔开口沿所述竖直区熔坩埚的径向设置；所述竖直区熔坩埚的柱状型腔体的形状与束流坩埚内腔形状相同；或者，所述竖直区熔坩埚的柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割后的切割体形状相同。

5.根据权利要求1或2或3所述的区熔坩埚，其特征在于，所述区熔坩埚为水平区熔坩埚，所述水平区熔坩埚的型腔开口沿所述水平区熔坩埚的轴向设置，所述水平区熔坩埚的柱状型腔体的形状与将束流坩埚的内腔沿轴向中心线均匀切割后的切割体形状相同。

6.根据权利要求5所述的区熔坩埚，其特征在于，所述水平区熔坩埚的型腔的与底座相向端设有向外倾斜用于脱模的斜面，形成脱模端。

7.根据权利要求6所述的区熔坩埚，其特征在于，所述脱模端设有倒角。

8.一种分子束外延束流源的料锭，其特征在于，所述料锭通过权利要求1至7任意一项所述的用于制备分子束外延束流源料锭的区熔坩埚制得。

9.根据权利要求8所述的料锭，其特征在于，所述料锭为一体结构。

10.根据权利要求8所述的料锭，其特征在于，所述料锭由多块料锭块拼接而成。