CN111748846A - 一种铟砷锑体单晶的生长装置 - Google Patents

一种铟砷锑体单晶的生长装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种InAsxSb1‑x(0≤x≤0.1)体单晶的生长装置，该装置采用密闭的安瓿瓶结构，同时结合坩埚下端开口的独特设计，既能够抑制锑元素的挥发，又能够实现三元化合物半导体单晶的择优生长，从而成功制备出大尺寸铟砷锑体单晶。

Description

一种铟砷锑体单晶的生长装置
技术领域
本发明涉及大尺寸铟砷锑单晶制备的生长装置，属于半导体单晶装备制造领域。
背景技术
铟砷锑(InAsxSb1-x,0≤x≤0.1)属于Ⅲ-Ⅴ族三元化合物半导体材料，InAsxSb1-x材料随着As含量的增加，材料的本征吸收边向长波方向扩展，成为中、长波红外波段(波长5-12μm)的红外探测器的有力竞争者，在红外制导、红外测温、环境监测及资源探测等方面有着重要而广阔的应用前景。
目前，国际上采用MBE、熔体外延等方法只能够制备出InAsxSb1-x(0≤x≤0.1)薄膜(厚度小于1mm)，无法获得块状的铟砷锑体单晶。本发明提供了一种铟砷锑体单晶的生长装置，通过该装置可以采用坩埚下降法或者垂直梯度凝固法制备大尺寸圆柱状InAsxSb1-x(0≤x≤0.1)体单晶(厚度大于10mm)。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种InAsxSb1-x(0≤x≤0.1)体单晶的生长装置，该装置采用密闭的安瓿瓶结构，同时结合坩埚下端开口的独特设计，既能够抑制锑元素的挥发，又能够实现三元化合物半导体单晶的择优生长，从而成功制备出大尺寸铟砷锑体单晶。
一种铟砷锑体单晶的生长装置，如附图1所示，具体包括：石英堵头1，氢氧焰烧结石英焊缝2，石英外坩埚3，石英圆片4，开尖口的石英内坩埚5，铟砷锑多晶料6，内部嵌入电阻丝的加热炉体7，中心开圆孔的石英基座8，坩埚支撑轴9，内部流通循环水的导热棒10；其中，开尖口的石英内坩埚5用于盛装铟砷锑多晶料6；中心开圆孔的石英基座8用于固定开尖口的石英内坩埚5；石英圆片4置于石英内坩埚5上端，用于阻止高温下锑挥发；开尖口的石英内坩埚5和中心开圆孔的石英基座8置于石英外坩埚3内部，石英堵头1与石英外坩埚3经过抽真空后，通过氢氧焰高温烧结熔融形成石英焊缝2，从而实现内部真空封闭；石英外坩埚3置于坩埚支撑轴9上，内部流通循环水的导热棒10安装在坩埚支撑轴9内部中心位置，导热棒10上端正对准石英内坩埚5的尖口位置，这样可以及时的将晶体生长过程中产生的结晶潜热沿特定方向导出，有利于单晶的生长。
较佳的，开尖口的石英内坩埚5形状如图2所示，上端为开口的圆形，下端为尖锐的封闭口；其下端三角口高度h1优选为5-10mm；等径细口高度h2优选为30-50mm，细口内经Φ1优选为0.5mm-1.5mm；上端等径高度h3优选为50-200mm，内经Φ2优选为30mm-55mm；坩埚扩肩角度θ优选为60-120°，通过这样的尖口坩埚结构设计，可以使得铟砷锑熔体降温结晶时，择优生长成单晶。
较佳的，中心开圆孔的石英基座8用于固定开尖口的石英内坩埚，中心圆孔直径略大于石英内坩埚5尖口处的外径1-2mm；
较佳的，石英圆片直径与石英内坩埚5外径相同，厚度2-3mm，置于开尖口的石英内坩埚5上端，阻挡高温下锑元素的挥发；
较佳的，石英堵头1的外径略小于石英外坩埚3的内经1-2mm，这样经过抽真空后，通过氢氧焰高温烧结熔融，二者能够形成石英焊缝2，从而实现内部真空封闭，从而保证铟砷锑多晶料组分的恒定；
较佳的，内部嵌入电阻丝的加热炉体7用于对铟砷锑多晶料进行加热，使得原料能够全部熔化，并且能够自动降温，从而实现铟砷锑单晶的生长。
较佳的，坩埚支撑轴9用于支撑石英外坩埚3，并且其中心位置安装内部流通循环水的导热棒10，导热棒10上端正对准石英内坩埚5的尖口位置，这样可以及时的将晶体生长过程中产生的结晶潜热沿特定的方向导出，有利于单晶稳定的生长。
本发明的有益效果是：
a开尖口的石英内坩埚5的独特形状设计，如规定下端三角口高度h1优选为5-10mm、等径细口高度h2优选为30-50mm，细口内经Φ1优选为0.5mm-1.5mm，是为了保证晶体开始择优生长时，抑制多晶的形成，最终形成完整的单晶体，蕴含着高深的结晶学设计；
b为了保证铟砷锑单晶组分的恒定，必须使用密封的安瓿结构设计，石英堵头1的外径略小于石英外坩埚3的内经1-2mm，这样经过抽真空后，通过氢氧焰高温烧结熔融，二者能够形成石英焊缝2，从而实现内部真空封闭，从而保证铟砷锑多晶料组分的恒定；
c在坩埚支撑轴9中心位置安装内部流通循环水的导热棒10，导热棒10上端正对准石英内坩埚5的尖口位置，这样可以及时的将晶体生长过程中产生的结晶潜热沿特定的方向导出，有利于单晶稳定的生长；
d将密封的石英外坩埚3装入内部嵌入电阻丝的加热炉体7，通过对石英坩埚加热，当达到材料熔点时，铟砷锑多晶料能够全部熔化，当炉体下端自动降温时，铟砷锑熔体由石英内坩埚5的尖口位置先结晶，并通过择优生长形成完整的体单晶。
附图说明
图1是本发明的铟砷锑体单晶的生长装置；
图2是本发明的开尖口的石英内坩埚5形状示意图。
标号说明：
1石英堵头；2氢氧焰烧结石英焊缝；3石英外坩埚；4石英圆片；5开尖口的石英内坩埚；6铟砷锑多晶料；7内部嵌入电阻丝的加热炉体；8中心开圆孔的石英基座；9坩埚支撑轴；10内部有循环水的导热棒。
具体实施方式
实施例1以获得直径为30mm的铟砷锑体单晶的生长装置为例。
一种铟砷锑体单晶的生长装置，如附图1所示，具体包括：石英堵头1，氢氧焰烧结石英焊缝2，石英外坩埚3，石英圆片4，开尖口的石英内坩埚5，铟砷锑多晶料6，内部嵌入电阻丝的加热炉体7，中心开圆孔的石英基座8，坩埚支撑轴9，内部流通循环水的导热棒10；其中，开尖口的石英内坩埚5用于盛装铟砷锑多晶料6；中心开圆孔的石英基座8用于固定开尖口的石英内坩埚5；石英圆片4置于石英内坩埚5上端，用于阻止高温下锑挥发；开尖口的石英内坩埚5和中心开圆孔的石英基座8置于石英外坩埚3内部，石英堵头1与石英外坩埚3经过抽真空后，通过氢氧焰高温烧结熔融形成石英焊缝2，从而实现内部真空封闭；石英外坩埚3置于坩埚支撑轴9上，内部流通循环水的导热棒10安装在坩埚支撑轴9内部中心位置，导热棒10上端正对准石英内坩埚5的尖口位置，这样可以及时的将晶体生长过程中产生的结晶潜热沿特定方向导出，有利于单晶的生长。
较佳的，开尖口的石英内坩埚5形状如图2所示，上端为开口的圆形，下端为尖锐的封闭口；其下端三角口高度h1为5mm；等径细口高度h2为30mm，细口内经Φ1为1mm；上端等径高度h3为50mm，内经Φ2为30mm；坩埚扩肩角度θ优选为90°，通过这样的尖口坩埚结构设计，可以使得铟砷锑熔体降温结晶时，择优生长成单晶。
较佳的，中心开圆孔的石英基座8用于固定开尖口的石英内坩埚，中心圆孔直径略大于石英内坩埚5尖口处的外径1-2mm；
较佳的，石英圆片直径与石英内坩埚5外径相同，厚度2mm，置于开尖口的石英内坩埚5上端，阻挡高温下锑元素的挥发；
较佳的，石英堵头1的外径略小于石英外坩埚3的内经1-2mm，这样经过抽真空后，通过氢氧焰高温烧结熔融，二者能够形成石英焊缝2，从而实现内部真空封闭，从而保证铟砷锑多晶料组分的恒定；
较佳的，内部嵌入电阻丝的加热炉体7用于对铟砷锑多晶料进行加热，使得原料能够全部熔化，并且能够自动降温，从而实现铟砷锑单晶的生长。
较佳的，坩埚支撑轴9用于支撑石英外坩埚3，并且其中心位置安装内部流通循环水的导热棒10，导热棒10上端正对准石英内坩埚5的尖口位置，这样可以及时的将晶体生长过程中产生的结晶潜热沿特定的方向导出，有利于单晶稳定的生长。
本实施例的有益效果是：
a开尖口的石英内坩埚5的独特形状设计，如规定下端三角口高度h1为5mm、等径细口高度h2为30mm，细口内经Φ1为1mm，是为了保证晶体开始择优生长时，抑制多晶的形成，最终形成完整的单晶体，蕴含着高深的结晶学设计；
b为了保证铟砷锑单晶组分的恒定，必须使用密封的安瓿结构设计，石英堵头1的外径略小于石英外坩埚3的内经1-2mm，这样经过抽真空后，通过氢氧焰高温烧结熔融，二者能够形成石英焊缝2，从而实现内部真空封闭，从而保证铟砷锑多晶料组分的恒定；
c在坩埚支撑轴9中心位置安装内部流通循环水的导热棒10，导热棒10上端正对准石英内坩埚5的尖口位置，这样可以及时的将晶体生长过程中产生的结晶潜热沿特定的方向导出，有利于单晶稳定的生长；
d将密封的石英外坩埚3装入内部嵌入电阻丝的加热炉体7，通过对石英坩埚加热，当达到材料熔点时，铟砷锑多晶料能够全部熔化，当炉体下端自动降温时，铟砷锑熔体由石英内坩埚5的尖口位置先结晶，并通过择优生长形成完整的体单晶。
实施例2以获得直径为55mm的铟砷锑体单晶的生长装置为例。
一种铟砷锑体单晶的生长装置，如附图1所示，具体包括：石英堵头1，氢氧焰烧结石英焊缝2，石英外坩埚3，石英圆片4，开尖口的石英内坩埚5，铟砷锑多晶料6，内部嵌入电阻丝的加热炉体7，中心开圆孔的石英基座8，坩埚支撑轴9，内部流通循环水的导热棒10；其中，开尖口的石英内坩埚5用于盛装铟砷锑多晶料6；中心开圆孔的石英基座8用于固定开尖口的石英内坩埚5；石英圆片4置于石英内坩埚5上端，用于阻止高温下锑挥发；开尖口的石英内坩埚5和中心开圆孔的石英基座8置于石英外坩埚3内部，石英堵头1与石英外坩埚3经过抽真空后，通过氢氧焰高温烧结熔融形成石英焊缝2，从而实现内部真空封闭；石英外坩埚3置于坩埚支撑轴9上，内部流通循环水的导热棒10安装在坩埚支撑轴9内部中心位置，导热棒10上端正对准石英内坩埚5的尖口位置，这样可以及时的将晶体生长过程中产生的结晶潜热沿特定方向导出，有利于单晶的生长。
较佳的，开尖口的石英内坩埚5形状如图2所示，上端为开口的圆形，下端为尖锐的封闭口；其下端三角口高度h1为10mm；等径细口高度h2为50mm，细口内经Φ1为1.5mm；上端等径高度h3为100mm，内经Φ2为55mm；坩埚扩肩角度θ优选为60°，通过这样的尖口坩埚结构设计，可以使得铟砷锑熔体降温结晶时，择优生长成单晶。
较佳的，中心开圆孔的石英基座8用于固定开尖口的石英内坩埚，中心圆孔直径略大于石英内坩埚5尖口处的外径1-2mm；
较佳的，石英圆片直径与石英内坩埚5外径相同，厚度2mm，置于开尖口的石英内坩埚5上端，阻挡高温下锑元素的挥发；
较佳的，石英堵头1的外径略小于石英外坩埚3的内经1-2mm，这样经过抽真空后，通过氢氧焰高温烧结熔融，二者能够形成石英焊缝2，从而实现内部真空封闭，从而保证铟砷锑多晶料组分的恒定；
较佳的，内部嵌入电阻丝的加热炉体7用于对铟砷锑多晶料进行加热，使得原料能够全部熔化，并且能够自动降温，从而实现铟砷锑单晶的生长。
较佳的，坩埚支撑轴9用于支撑石英外坩埚3，并且其中心位置安装内部流通循环水的导热棒10，导热棒10上端正对准石英内坩埚5的尖口位置，这样可以及时的将晶体生长过程中产生的结晶潜热沿特定的方向导出，有利于单晶稳定的生长。
本实施例的有益效果是：
a开尖口的石英内坩埚5的独特形状设计，如规定下端三角口高度h1为10mm、等径细口高度h2为50mm，细口内经Φ1为1.5mm，是为了保证晶体开始择优生长时，抑制多晶的形成，最终形成完整的单晶体，蕴含着高深的结晶学设计；
b为了保证铟砷锑单晶组分的恒定，必须使用密封的安瓿结构设计，石英堵头1的外径略小于石英外坩埚3的内经1-2mm，这样经过抽真空后，通过氢氧焰高温烧结熔融，二者能够形成石英焊缝2，从而实现内部真空封闭，从而保证铟砷锑多晶料组分的恒定；；
c在坩埚支撑轴9中心位置安装内部流通循环水的导热棒10，导热棒10上端正对准石英内坩埚5的尖口位置，这样可以及时的将晶体生长过程中产生的结晶潜热沿特定的方向导出，有利于单晶稳定的生长；
d将密封的石英外坩埚3装入内部嵌入电阻丝的加热炉体7，通过对石英坩埚加热，当达到材料熔点时，铟砷锑多晶料能够全部熔化，当炉体下端自动降温时，铟砷锑熔体由石英内坩埚5的尖口位置先结晶，并通过择优生长形成完整的体单晶。

Claims (7)

1.一种铟砷锑体单晶的生长装置，其特征在于，具体包括：石英堵头(1)，氢氧焰烧结石英焊缝(2)，石英外坩埚(3)，石英圆片(4)，开尖口的石英内坩埚(5)，铟砷锑多晶料(6)，内部嵌入电阻丝的加热炉体(7)，中心开圆孔的石英基座(8)，坩埚支撑轴(9)，内部流通循环水的导热棒(10)；其中，开尖口的石英内坩埚(5)用于盛装铟砷锑多晶料(6)；中心开圆孔的石英基座(8)用于固定开尖口的石英内坩埚(5)；石英圆片(4)置于石英内坩埚(5)上端，用于阻止高温下锑挥发；开尖口的石英内坩埚(5)和中心开圆孔的石英基座(8)置于石英外坩埚(3)内部，石英堵头(1)与石英外坩埚(3)经过抽真空后，通过氢氧焰高温烧结熔融形成石英焊缝(2)，从而实现内部真空封闭；石英外坩埚(3)置于坩埚支撑轴(9)上，内部流通循环水的导热棒(10)安装在坩埚支撑轴(9)内部中心位置，导热棒(10)上端正对准石英内坩埚(5)的尖口位置，这样可以及时的将晶体生长过程中产生的结晶潜热沿特定方向导出，有利于单晶的生长。
2.根据权利要求1所述铟砷锑体单晶的生长装置，其特征在于，开尖口的石英内坩埚5形状为：上端为开口的圆形，下端为尖锐的封闭口；其下端三角口高度h1为5-10mm，等径细口高度h2为30-50mm，细口内经Φ1为0.5mm-1.5mm；上端等径高度h3为50-200mm，内经Φ2为30mm-55mm；坩埚扩肩角度θ为60-120°，通过对尖口坩埚结构的设计，可以使得铟砷锑熔体降温结晶时，择优生长成单晶。
3.根据权利要求1所述铟砷锑体单晶的生长装置，其特征在于，中心开圆孔的石英基座(8)用于固定开尖口的石英内坩埚，中心圆孔直径大于石英内坩埚(5)尖口处的外径1-2mm。
4.根据权利要求1所述铟砷锑体单晶的生长装置，其特征在于，石英圆片直径与石英内坩埚(5)外径相同，厚度2-3mm，置于开尖口的石英内坩埚(5)上端，阻挡高温下锑元素的挥发。
5.根据权利要求1所述铟砷锑体单晶的生长装置，其特征在于，石英堵头(1)的外径略小于石英外坩埚(3)的内经1-2mm，这样经过抽真空后，通过氢氧焰高温烧结熔融，二者能够形成石英焊缝(2)，从而实现内部真空封闭，从而保证铟砷锑多晶料组分的恒定。
6.根据权利要求1所述铟砷锑体单晶的生长装置，其特征在于，内部嵌入电阻丝的加热炉体(7)用于对铟砷锑多晶料进行加热，使得原料能够全部熔化，并且能够自动降温，从而实现铟砷锑单晶的生长。
7.根据权利要求1所述铟砷锑体单晶的生长装置，其特征在于，坩埚支撑轴(9)用于支撑石英外坩埚(3)，并且其中心位置安装内部流通循环水的导热棒(10)，导热棒(10)上端正对准石英内坩埚(5)的尖口位置，这样可以及时的将晶体生长过程中产生的结晶潜热沿特定的方向导出，有利于单晶稳定的生长。
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Address after: 518101 room 304, building 5, Bihai Futong City, Xixiang Avenue, Bao'an District, Shenzhen, Guangdong

Applicant after: Practice Xiaozheng

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Applicant before: Teng Shulong

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Applicant after: Suzhou Liaoyuan Semiconductor Co.,Ltd.

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