CN112011825B - 生长氮化铝晶体的坩埚装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生长氮化铝晶体的坩埚装置，包括保温层，其内具有空腔，所述保温层上设置有与所述空腔连通的开口；坩埚，其设置在所述空腔内，在所述坩埚的顶部盖合有坩埚盖，所述开口于所述坩埚盖对应设置；以及温度均匀装置，其包覆在所述坩埚盖的顶面，所述温度均匀装置也位于所述空腔中。本发明的温度均匀装置能够大幅度降低坩埚盖底部生长的晶体的径向温差，使得晶体内部的热应力减小，从而减少了晶体内部位错的发生，因此特别有利于大尺寸晶体的生长。

Description

生长氮化铝晶体的坩埚装置
技术领域
本发明属于晶体生长中热场设计的技术领域，具体涉及一种用于物理气相传输法生长氮化铝晶体的坩埚装置。
背景技术
氮化铝是最有发展前景的第三代半导体晶体材料之一，它具有宽带隙，高热导率、击穿电压高、同其他第三代半导体材料之间只有极小的晶格和热膨胀失配等优点。这些优点使得它在大功率、高频电子和光电行业中具存在巨大的发展潜力。由于氮化铝的熔点极高，采用常规的液相法很难制备氮化铝晶体。目前，制备氮化铝应用最广泛也是最有效的方法就是物理气相传输法，也叫升华法。这种方法的工作原理是利用了氮化铝材料的升华点低于熔点这一特性，需要利用感应加热装置构建合适的温度场，使氮化铝物料在金属钨制坩埚内的高温区(高于2000℃)分解为铝蒸汽和氮气，气体以温度梯度作为驱动力，流至低温冷凝区形成饱和蒸汽，并在冷凝区籽晶出形核生长晶体。
目前，在制备氮化铝单晶这一领域内最大问题就是无法制备大尺寸(4英寸)氮化铝晶体，这导致氮化铝晶体无法大规模商业化生产。而这一问题最根本的原因是随着晶体尺寸的增大，其生长所需的坩埚尺寸也要增大。由于利用感应加热，尺寸增大的坩埚内部感应电流产生的热量分布也会更加不均匀，使得坩埚内部的径向温度差增大。径向温差是温度梯度在晶体半径上的积分，是热应力的来源，它会导致位错倍增，并使晶体生长失败。同样的热场，温度梯度不变，生长的晶体直径越大，径向温差就越大，长晶越难。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种生长氮化铝晶体的坩埚装置，该装置能够大幅度降低坩埚底部生长的氮化铝晶体的径向温差，使得晶体内部的热应力减小。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种生长氮化铝晶体的坩埚装置，包括：
保温层，其内具有空腔，所述保温层上设置有与所述空腔连通的开口；
坩埚，其设置在所述空腔内，在所述坩埚的顶部盖合有坩埚盖，所述开口于所述坩埚盖对应设置；以及
温度均匀装置，其包覆在所述坩埚盖的顶面上，所述温度均匀装置也位于所述空腔中。
进一步地，所述温度均匀装置包括：
吸热肋片，其包覆在所述坩埚盖顶面上；以及
散热肋片，其与所述吸热肋片通过肋片连接杆连接。
进一步地，所述坩埚与所述保温层的内侧壁之间具有间隙。
进一步地，所述吸热肋片的厚度不大于所述坩埚的侧壁与所述保温层内侧壁之间的间隙。
进一步地，所述吸热肋片的厚度等于所述坩埚侧壁与所述保温层内侧壁之间间隙的一半。
进一步地，所述坩埚盖与所述保温层的内壁之间具有间隙，所述肋片连接杆的高度不大于所述坩埚盖顶面与所述保温层内壁之间的间隙。
进一步地，所述肋片连接杆的高度为所述坩埚盖顶面与所述保温层内壁之间间隙的1/3。
进一步地，所述散热肋片的厚度等于吸热肋片的厚度。
进一步地，吸热肋片的内径与坩埚盖的外径相同，散热肋片的直径与吸热肋片的外径相等。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明在坩埚盖上设置有温度均匀装置，且其结构为肋片式，在晶体生长过程中，置于坩埚盖顶部，通过肋片连接杆连接的散热肋片，其所处的区域温度相对较低，能够增加换热量，吸热肋片包覆在坩埚盖上，能够增大换热面积。由于物理气相传输法中籽晶一般置于坩埚盖底部，因此通过这种方式的温度均匀装置能够大幅度降低坩埚盖底部生长的晶体的径向温差，使得晶体内部的热应力减小，从而减少了晶体内部位错的发生，因此特别有利于大尺寸晶体的生长；本发明的坩埚装置还可以用于采用物理气相传输法生长的其他晶体材料，其坩埚盖上的温度均匀装置设计结构简单，可靠性较强，材料不易损失，可以重复使用。
附图说明
图1为本发明实施例坩埚装置的结构示意图；
图2为生长晶体表面的径向温度分布曲线；其中，a、未设置本发明温度均匀装置的坩埚上的晶体表面的径向温度分布曲线，b、本实施例坩埚盖底部的晶体表面的径向温度分布曲线。
其中，1、保温层；2、散热肋片；3、肋片连接杆；4、吸热肋片；5、坩埚。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例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作出创造性劳动的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。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
如图1所示，本发明提供一种生长氮化铝晶体的坩埚装置，包括保温层1、坩埚5以及温度均匀装置。保温层1为空心柱形，其内具有空腔10，保温层1的顶部设置有与空腔10连通的开口11，该开口11与坩埚5的顶部对应。坩埚5设置在空腔10内，其侧壁与保温层1的内侧壁之间具有间距，在坩埚1的顶部盖合有坩埚盖，坩埚盖也与保温层的内顶壁之间具有间距。温度均匀装置包括吸热肋片4、肋片连接杆3以及散热肋片2。吸热肋片4完全包覆在坩埚盖的顶面上，且吸热肋片4的内径与坩埚盖的外径相同。散热肋片2通过肋片连接杆3与吸热肋片4连接，散热肋片2的直径与吸热肋片4的外径相同，其中，坩埚5、吸热肋片4、肋片连接杆3以及散热肋片2均位于空腔10中。
经过发明人的多次仿真模拟实验得出温度均匀装置的尺寸如下：
Figure BDA0002700932660000031
Figure BDA0002700932660000032
Figure BDA0002700932660000033
φ1＝D3＝d+δ1；
其中，δ1为吸热肋片厚度，δ2为肋片连接杆厚度，δ3为散热肋片厚度，φ1为吸热肋片内径，Φ1为吸热肋片外径，D2为肋片连接杆直径，D3为散热肋片直径，d为坩埚盖直径，r为坩埚侧壁与保温层间隙大小，h为坩埚盖与保温层之间的间隙大小。
上述尺寸的吸热肋片4、肋片连接杆3以及散热肋片2是经过仿真实验比对处对温度梯度优化的最优尺寸，其能够最大限度的增加轴向温度梯度，降低径向温度梯度，从而优化晶体生长。
本实施例在坩埚盖上设计上述的吸热肋片4、肋片连接杆3以及散热肋片2，其能够均匀坩埚盖底部的径向温度分布以利于大尺寸氮化铝晶体的生长。本实施例中，坩埚5及温度均匀装置放于保温层1内，保温层1用于防止感应加热装置热量耗散，通过感应加热装置持续供热，使得坩埚盖底部籽晶可以持续生长。
为了保持较低的晶体径向温差，径向温度分布曲线要尽可能平缓。图2展示了传统坩埚(a)与以及本实施例的坩埚(b)生长晶体表面的径向温度分布曲线，其中传统坩埚不具有上述的温度均匀装置。从图2的对比可以看出，在采用本实施例的坩埚的情况下，晶体表面径向温度分布较传统情况相比更为平缓，这有利于制备大尺寸氮化铝单晶。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种生长氮化铝晶体的坩埚装置，其特征在于，包括：
保温层，其内具有空腔，所述保温层上设置有与所述空腔连通的开口；
坩埚，其设置在所述空腔内，所述坩埚与所述保温层的内侧壁之间具有间隙，在所述坩埚的顶部盖合有坩埚盖，所述开口与所述坩埚盖对应设置；以及
温度均匀装置，其包覆在所述坩埚盖的顶面上，所述温度均匀装置也位于所述空腔中；所述温度均匀装置包括：
吸热肋片，其包覆在所述坩埚盖顶面上，所述吸热肋片的厚度等于所述坩埚侧壁与所述保温层内侧壁之间间隙的一半；以及
散热肋片，其与所述吸热肋片通过肋片连接杆连接，所述散热肋片的厚度等于吸热肋片的厚度；
其中，吸热肋片的内径与坩埚盖的外径相同，散热肋片的直径与吸热肋片的外径相等。
2.根据权利要求1所述生长氮化铝晶体的坩埚装置，其特征在于，所述坩埚盖与所述保温层的内壁之间具有间隙，所述肋片连接杆的高度不大于所述坩埚盖顶面与所述保温层内壁之间的间隙。
3.根据权利要求2所述生长氮化铝晶体的坩埚装置，其特征在于，所述肋片连接杆的高度为所述坩埚盖顶面与所述保温层内壁之间间隙的1/3。
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