CN112575379A - 砷化铟晶体生长装置及生长方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种砷化铟晶体生长装置及生长方法。装置包括生长容器、坩埚盖、设有炉腔的炉体以及温控装置。生长容器包括内坩埚和外坩埚，坩埚盖用于密封外坩埚，内坩埚包括第一主体部、用于容纳籽晶的第一籽晶腔和第一肩部，第一主体部位于第一籽晶腔上方；外坩埚套设于内坩埚外并与内坩埚隔开，且外坩埚的内部轮廓与内坩埚的外部轮廓匹配；生长容器位于炉腔内，炉腔由上至下依次设有第一温区、第二温区、第三温区、第四温区和第五温区，温控装置设置于第一温区、第二温区、第三温区、第四温区和第五温区，用于加热各温区并控制其温度；沿炉腔的上下方向，第一温区高于生长容器的顶部，第五温区低于生长容器的底部，且第一籽晶腔位于第四温区。

Description

砷化铟晶体生长装置及生长方法

技术领域

本公开涉及晶体制备领域，尤其涉及一种砷化铟晶体生长装置及生长方法。

背景技术

砷化铟(InAs)是一种Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体，具有较高的电子迁移率和迁移率比值，低的磁阻效应和小的电阻温度系数，是制造霍耳器件和磁阻器件的理想材料。

目前砷化铟晶体的主要生长方法是液封直拉法。液封直拉法的生长过程是在液封剂保护下，将原料放在坩埚中加热熔化，通过提拉杆使籽晶插入熔体后，缓慢提起，在籽晶下端得到新的晶体。但这种方法设备成本较高，晶体应力大，位错密度高，对晶体生长产生不利影响，造成晶体整体质量分布不均且成晶率不高。

发明内容

鉴于现有技术存在的缺陷，本公开的目的在于提供一种砷化铟晶体生长装置及生长方法，使得制备得到的砷化铟晶体整体质量分布更均匀，位错密度低且成晶率高。

为了实现上述目的，一方面，本公开提供了一种砷化铟晶体生长装置，砷化铟晶体生长装置包括生长容器、坩埚盖、炉体以及温控装置。所述生长容器包括内坩埚和外坩埚，所述内坩埚包括第一主体部、用于容纳籽晶的第一籽晶腔和连接所述第一主体部和所述第一籽晶腔的第一肩部，所述第一主体部位于所述第一籽晶腔的上方；所述外坩埚套设于所述内坩埚的外部并与所述内坩埚间隔开，且所述外坩埚的内部轮廓与所述内坩埚的外部轮廓相匹配，所述坩埚盖用于密封所述外坩埚；所述炉体设置有炉腔，所述生长容器位于所述炉腔内，所述炉腔由上至下依次设置有第一温区、第二温区、第三温区、第四温区和第五温区，所述温控装置设置于所述第一温区、所述第二温区、所述第三温区、所述第四温区和所述第五温区，用于加热所述第一温区、所述第二温区、所述第三温区、所述第四温区和所述第五温区并控制其温度；沿所述炉腔的上下方向，所述第一温区高于所述生长容器的顶部，所述第五温区低于所述生长容器的底部，且所述第一籽晶腔位于所述第四温区。

在一实施例中，沿所述炉腔的上下方向，所述第三温区和所述第四温区之间的分界线与所述第一主体部和所述第一肩部之间的连接位置位于同一平面。

在一实施例中，所述第一温区、所述第二温区、所述第三温区、所述第四温区和所述第五温区沿所述炉腔的上下方向的高度比为：

220-230mm:140-150mm:160-170mm:170-180mm:130-140mm。

在一实施例中，所述第一籽晶腔具有连接所述第一肩部的第一端和远离所述第一肩部的第二端。所述砷化铟晶体生长装置还包括第一测温热电偶和第二测温热电偶，所述第一测温热电偶和所述第二测温热电偶沿所述炉腔的上下方向朝向所述生长容器延伸，且所述第一测温热电偶的第一测量端和所述第二测温热电偶的第二测量端分别位于所述第一籽晶腔的第一端和第二端。

在一实施例中，所述砷化铟晶体生长装置还包括第三测温热电偶，所述第三测温热电偶沿所述炉腔的上下方向朝向所述生长容器延伸，且所述第三测温热电偶的第三测量端位于所述内坩埚的所述第一肩部的上半部分。

在一实施例中，所述砷化铟晶体生长装置还包括支撑结构，所述生长容器支撑于所述支撑结构上，所述支撑结构开设有沿所述炉腔的上下方向贯通的第一通孔、第二通孔以及第三通孔，所述第一测温热电偶插入所述第一通孔内，所述第二测温热电偶插入所述第二通孔内，所述第三测温热电偶插入所述第三通孔内。

为了实现上述目的，另一方面，本公开提供了一种砷化铟晶体生长方法，其使用前述的砷化铟晶体生长装置进行砷化铟晶体生长，所述砷化铟晶体生长方法包括步骤：S1：准备制备砷化铟晶体所需的原料，所述原料包括砷化铟籽晶、第一砷化铟多晶、第二砷化铟多晶和三氧化二硼；S2：提供生长容器，所述生长容器包括内坩埚和外坩埚，将所述内坩埚放置于所述外坩埚内，将所述砷化铟籽晶加入所述内坩埚的第一籽晶腔内，然后将所述第一砷化铟多晶、所述三氧化二硼和所述第二砷化铟多晶依次加入所述内坩埚内，装料完毕后对所述外坩埚抽真空并通过坩埚盖密封所述外坩埚；S3，将所述生长容器装入炉体的炉腔内，使所述内坩埚的第一主体部位于第一籽晶腔的上方，所述炉腔由下至上依次设置有第一温区、第二温区、第三温区、第四温区和第五温区；沿所述炉腔的上下方向，使所述第一温区高于所述生长容器的顶部、所述第五温区低于所述生长容器的底部、所述第一籽晶腔位于所述第四温区；利用垂直梯度凝固法生长得到砷化铟晶体。

在一实施例中，利用垂直梯度凝固法生长得到砷化铟晶体包括步骤：S31，开启温控装置，对所述第一温区和所述第二温区加热至970-1000℃、对所述第三温区加热至960-970℃、对所述第四温区加热至955-960℃且对所述第五温区加热至950-955℃，然后使所述第一温区、所述第二温区、所述第三温区、所述第四温区以及所述第五温区保温1-12h；S32，使所述第一温区和所述第二温区逐渐降温至920-940℃，使所述第三温区逐渐降温至910-920℃，使所述第四温区逐渐降温至870-910℃，并使所述第五温区逐渐降温至850-870℃，然后使所述第一温区、所述第二温区、所述第三温区、所述第四温区和所述第五温区保温15-24h，以得到砷化铟晶体；S33，使所述第一温区、所述第二温区、所述第三温区、所述第四温区和所述第五温区降温至室温，将所述生长容器从所述炉体的炉腔内取出，打开密封所述外坩埚的所述坩埚盖，取出所述内坩埚，然后取出生长得到的所述砷化铟晶体。

在一实施例中，在步骤S32中，使所述第一温区、所述第二温区、所述第三温区、所述第四温区和所述第五温区均以0.2-2.0℃/h的降温速率进行降温。

在一实施例中，在步骤S33中，使所述第一温区、所述第二温区、所述第三温区、所述第四温区和所述第五温区均以5-15℃/h的降温速率降温至室温。

本公开的有益效果如下：

一方面，在根据本公开的砷化铟晶体生长装置中，通过在高于生长容器顶部位置设置第一温区，对生长容器起到保温的作用，使得在使用本公开的砷化铟晶体生长装置制备砷化铟晶体时，容置于内坩埚内的原料尤其是内坩埚内靠近第一温区位置的原料能够准确地达到设定的温度，以使原料能充分熔化为熔体，从而使得晶体质量分布更均匀，平均位错密度更低，制得的晶体的头部和尾部的载流子浓度和电子迁移率差异更小，并且通过使第一籽晶腔位于第四温区并在低于生长容器底部的位置设置第五温区，确保在使熔体降温固化为晶体的初期，内坩埚底部的熔体能更准确地达到设定的温度，从而确保固化初期生长的晶体具有更好的品质，确保单晶的成晶率更高，因此使得制备得到的砷化铟晶体整体质量分布更均匀，位错密度低且成晶率高。

另一方面，在根据本公开的砷化铟晶体生长方法中，将生长容器的内坩埚放置于外坩埚内，将砷化铟籽晶加入内坩埚的第一籽晶腔内，将制备砷化铟晶体所需的第一砷化铟多晶、三氧化二硼和第二砷化铟多晶依次加入内坩埚内，然后密封生长容器，将生长容器装入炉体内，使第一温区高于生长容器的顶部、第五温区低于生长容器的底部、第一籽晶腔位于第四温区，再利用垂直梯度凝固法进行晶体生长制得砷化铟晶体。利用垂直梯度凝固法生长砷化铟晶体，晶体从熔体的底部开始生长，不会受到浮渣的干扰，能提高晶体成晶品质。在利用垂直梯度凝固法生长得到砷化铟晶体的过程中，由于第一温区高于生长容器的顶部设置，对生长容器起到保温的作用，使得容置于内坩埚内的原料尤其是内坩埚内靠近第一温区位置的原料能够准确地达到设定的温度，以使原料能充分熔化为熔体，从而使得晶体质量分布更均匀，平均位错密度更低，制得的晶体的头部和尾部的载流子浓度和电子迁移率差异更小，从而能增大砷化铟晶体可使用的部分；并且通过使第一籽晶腔位于第四温区并在低于生长容器的底部的位置设置第五温区，确保在使熔体降温固化为晶体的初期，内坩埚底部的熔体能更准确地达到设定的温度，从而确保固化初期生长的晶体具有更好的品质，确保单晶的成晶率更高，因此使得制备得到的砷化铟晶体整体质量分布更均匀，位错密度低且成晶率高。

附图说明

图1是根据本公开的砷化铟晶体生长装置的实施例的示意图。

图2是图1的砷化铟晶体生长装置的生长容器的示意图。

其中，附图标记说明如下：

1生长容器 4温控装置

11内坩埚 41加热器

111第一主体部 42第四测温热电偶

112第一籽晶腔 5第一测温热电偶

112a第一端 51第一测量端

112b第二端 6第二测温热电偶

113第一肩部 61第二测量端

12外坩埚 7第三测温热电偶

121第二主体部 71第三测量端

122第二籽晶腔 8支撑结构

123第二肩部 81第一通孔

2坩埚盖 82第二通孔

3炉体 83第三通孔

31炉腔 Z炉腔的上下方向

311第一温区 M1砷化铟籽晶

312第二温区 M2第一砷化铟多晶

313第三温区 M3第二砷化铟多晶

314第四温区 M4三氧化二硼

315第五温区

具体实施方式

附图示出本公开的实施例，且将理解的是，所公开的实施例仅仅是本公开的示例，本公开可以以各种形式实施，因此，本文公开的具体细节不应被解释为限制，而是仅作为权利要求的基础且作为表示性的基础用于教导本领域普通技术人员以各种方式实施本公开。

为使本公开实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本公开的技术领域的技术人员通常理解的含义相同；本文中在申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本公开；本公开的说明书和权利要求书及上述附图说明中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。在本公开的描述中，除非另有明确的规定和限定，本公开的说明书和权利要求书或上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”、“第五”等用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序或主次关系，也不能理解为指示或暗示相对重要性。术语“连接”、“相连”应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接，或信号连接；“连接”可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本公开的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

本公开中出现的“多个”是指两个以上(包括两个)。

下面通过具体的实施例并结合附图对本公开做进一步的详细描述。

参照图1和图2，根据本公开的砷化铟晶体生长装置包括生长容器1、坩埚盖2、炉体3以及温控装置4。生长容器1包括内坩埚11和外坩埚12。内坩埚11包括第一主体部111、用于容纳籽晶的第一籽晶腔112和连接第一主体部111和第一籽晶腔112的第一肩部113，第一主体部111位于第一籽晶腔112的上方。外坩埚12套设于内坩埚11的外部并与内坩埚11间隔开，且外坩埚12的内部轮廓与内坩埚11的外部轮廓相匹配，坩埚盖2用于密封外坩埚12。炉体3设置有炉腔31，生长容器1位于炉腔31内，炉腔31由上至下依次设置有第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315。温控装置4设置于第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315，温控装置4用于加热第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315并控制其温度。沿炉腔31的上下方向Z，第一温区311高于生长容器1的顶部，第五温区315低于生长容器1的底部，且第一籽晶腔112位于第四温区314。

在根据本公开的砷化铟晶体生长装置中，通过在高于生长容器1顶部位置设置第一温区311，对生长容器1起到保温的作用，使得在使用本公开的砷化铟晶体生长装置制备砷化铟晶体时，容置于内坩埚11内的原料尤其是内坩埚11内靠近第一温区311位置的原料能够准确地达到设定的温度，以使原料能充分熔化为熔体，从而使得晶体质量分布更均匀，平均位错密度更低，制得的晶体的头部和尾部的载流子浓度和电子迁移率差异更小，并且通过使第一籽晶腔112位于第四温区314并在低于生长容器1底部的位置设置第五温区315，确保在使熔体降温固化为晶体的初期，内坩埚11底部的熔体能更准确地达到设定的温度，从而确保固化初期生长的晶体具有更好的品质，确保单晶的成晶率更高，因此使得制备得到的砷化铟晶体整体质量分布更均匀，位错密度低且成晶率高。

内坩埚11和坩埚盖2的材质可为石英。外坩埚12的材质可为热解氮化硼。坩埚盖2可通过焊接密封外坩埚12，且坩埚盖2可为密封帽状结构。炉体3不限于图1中示出的形状和结构，只要炉体3的炉腔31由上至下依次设置有第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315且生长容器1容置于第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315所围成的空间即可。

参照图1和图2，在一些实施例中，炉腔31可为圆柱状，第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315环绕生长容器1设置。外坩埚12包括与第一主体部111对应的第二主体部121、与第一籽晶腔112对应的第二籽晶腔122以及与第一肩部113对应的第二肩部123。炉腔31、内坩埚11的第一主体部111和外坩埚12的第二主体部121为同中心轴的圆柱状结构。将炉腔31、第一主体部111和第二主体部121设置为同中心轴的圆柱状结构能使容置于内坩埚11的原料均匀受热，有利于晶体的稳定生长。具体地，炉腔31的内径与第二主体部121的内径之间的内径差可设置为10-100mm，且第二主体部121的内径与第一主体部111的内径之间的内径差可设置为5-10mm，从而使第一主体部111、第二主体部121和温区(指第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315)之间具有优异的热辐射效率。第一主体部111的壁厚可设置为1-2mm，每次使用完内坩埚11后，都需对内坩埚11进行清洗，但每次清洗都会使内坩埚11的厚度减小，当所述内坩埚11的第一主体部111的壁厚为1-2mm，其具有较高的机械强度，便于循环使用。第二主体部121的壁厚可设置为3-5mm，从而使第二主体部121具有优异的机械强度而不容易破碎。在具体应用中，例如，可选择炉腔31的内径155mm，内坩埚11的第一主体部111的内径为105mm，第一主体部111的壁厚为2mm，外坩埚12的第二主体部121的内径为112mm，第二主体部121的壁厚为5mm，但不限于此。在这里补充说明的是，炉腔31的内径表示第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315所围成的圆柱状空间的直径。

参照图1和图2，在一些实施例中，第一主体部111和第二主体部121均为等径的主体。内坩埚11的第一肩部113和外坩埚12的第二肩部123的截面为锥形。第一籽晶腔112和第二籽晶腔122可为圆柱状结构，且第一籽晶腔112和第二籽晶腔122的下端封闭。第一籽晶腔112用于盛装砷化铟籽晶，第一肩部113和第一主体部111用于盛装制备砷化铟晶体所需的其它原料，其它原料包括砷化铟多晶(即第一砷化铟多晶M2和第二砷化铟多晶M3)和三氧化二硼。

参照图1，第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314、第五温区315沿炉腔31的上下方向Z的高度比可为：

220-230mm:140-150mm:160-170mm:170-180mm:130-140mm，以便于调控晶体生长温场的温度梯度，从而提升晶体品质，提高成晶率。进一步地，第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314、第五温区315、第一主体部111、第一肩部113以及第一籽晶腔112沿炉腔31的上下方向Z的高度比可为：

220-230mm:140-150mm:160-170mm:170-180mm:130-140mm:350-360mm:50-60mm:40-50mm。

参照图1，在一些实施例中，第一籽晶腔112可大致位于第四温区314的沿炉腔31的上下方向Z的中间位置，有利于精确控制第一籽晶腔112内籽晶的温度。

参照图1，在一些实施例中，沿炉腔31的上下方向Z，第三温区313和第四温区314之间的分界线与第一主体部111和第一肩部113之间的连接位置位于同一平面，以使第一主体部111和第一肩部113位于不同的温区，从而有利于调控第一主体部111和第一肩部113的温度梯度，便于控制晶体生长速率，提高晶体的成晶品质。

参照图1和图2，在一些实施例中，第一籽晶腔112具有连接第一肩部113的第一端112a和远离第一肩部113的第二端112b。砷化铟晶体生长装置还可包括第一测温热电偶5和第二测温热电偶6，第一测温热电偶5和第二测温热电偶6沿炉腔31的上下方向Z朝向生长容器1延伸，且第一测温热电偶5的第一测量端51和第二测温热电偶6的第二测量端61分别位于第一籽晶腔112的第一端112a和第二端112b。通过在第一籽晶腔112的第一端112a和第二端112b分别设置第一测温热电偶5和第二测温热电偶6，可以监控第一籽晶腔112内的籽晶的熔化位置。

参照图1和图2，在一些实施例中，砷化铟晶体生长装置还可包括第三测温热电偶7，第三测温热电偶7沿炉腔31的上下方向Z朝向生长容器1延伸，且第三测温热电偶7的第三测量端71位于内坩埚11的第一肩部113的上半部分。通过在第一肩部113的上半部分设置第三测温热电偶7，可以监控内坩埚11内的原料是否熔化，便于晶体生长过程的控制。

如图1所示，在一些实施例中，砷化铟晶体生长装置还可包括支撑结构8。生长容器1支撑于支撑结构8上，用于生长容器1在炉体3内的快速安装和定位。支撑结构8可开设有沿炉腔31的上下方向Z贯通的第一通孔81、第二通孔82以及第三通孔83，第一测温热电偶5插入第一通孔81内，第二测温热电偶6插入第二通孔82内，第三测温热电偶7插入第三通孔83内，以便于第一测温热电偶5、第二测温热电偶6和第三测温热电偶7快速、准确地放置于预设位置。支撑结构8的材质可为石英。

参照图1，在一些实施例中，温控装置4设置为多个，多个温控装置4分别设置于第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315，以分别独立控制第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315的温度。温控装置4可包括加热器41和第四测温热电偶42。加热器41用于对对应的温区加热，第四测温热电偶42用于检测温度并控制加热器41对对应的温区加热。在图1示出的示例中，温控装置4设置为五个，通过对第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314、第五温区315独立控温便于控制各温区的温度且控制过程互不干扰，实现晶体生长的控温自动化。并且通过分别调控第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315的温度，来调整生长容器1沿炉腔31的上下方向Z不同部位的温度，以达到砷化铟晶体的生长温场所需的温度梯度，从而提高生长得到的砷化铟晶体整体质量的均匀性，并提高晶体成晶率。

参照图1和图2，根据本公开的砷化铟晶体生长方法使用根据本公开的砷化铟晶体生长装置进行砷化铟晶体生长，砷化铟晶体生长方法包括步骤：S1：准备制备砷化铟晶体所需的原料，原料包括砷化铟籽晶M1、第一砷化铟多晶M2、第二砷化铟多晶M3和三氧化二硼M4。S2：提供生长容器1，生长容器1包括内坩埚11和外坩埚12，将内坩埚11放置于外坩埚12内，将砷化铟籽晶M1加入内坩埚11的第一籽晶腔112内，然后将第一砷化铟多晶M2、三氧化二硼M4和第二砷化铟多晶M3依次加入内坩埚11内，装料完毕后对外坩埚12抽真空并通过坩埚盖2密封外坩埚12。S3，将生长容器1装入炉体3的炉腔31内，使内坩埚11的第一主体部111位于第一籽晶腔112的上方，炉腔31由下至上依次设置有第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315；沿炉腔31的上下方向Z，使第一温区311高于生长容器1的顶部、第五温区315低于生长容器1的底部、第一籽晶腔112位于第四温区314；利用垂直梯度凝固法生长得到砷化铟晶体。

在本公开的砷化铟晶体生长方法中，将生长容器1的内坩埚11放置于外坩埚12内，将砷化铟籽晶M1加入内坩埚11的第一籽晶腔112内，将制备砷化铟晶体所需的第一砷化铟多晶M2、三氧化二硼M4和第二砷化铟多晶M3依次加入内坩埚11内，然后密封生长容器1，将生长容器1装入炉体3内，使第一温区311高于生长容器1的顶部、第五温区315低于生长容器1的底部、第一籽晶腔112位于第四温区314，再利用垂直梯度凝固法进行晶体生长制得砷化铟晶体。利用垂直梯度凝固法生长砷化铟晶体，晶体从熔体的底部开始生长，不会受到浮渣的干扰，能提高晶体成晶品质。在利用垂直梯度凝固法生长得到砷化铟晶体的过程中，由于第一温区311高于生长容器1的顶部设置，对生长容器1起到保温的作用，使得容置于内坩埚11内的原料尤其是内坩埚11内靠近第一温区311位置的原料能够准确地达到设定的温度，以使原料能充分熔化为熔体，从而使得晶体质量分布更均匀，平均位错密度更低，制得的晶体的头部和尾部的载流子浓度和电子迁移率差异更小，从而能增大砷化铟晶体可使用的部分；并且通过使第一籽晶腔112位于第四温区314并在低于生长容器1的底部的位置设置第五温区315，确保在使熔体降温固化为晶体的初期，内坩埚11底部的熔体能更准确地达到设定的温度，从而确保固化初期生长的晶体具有更好的品质，确保单晶的成晶率更高，因此使得制备得到的砷化铟晶体整体质量分布更均匀，位错密度低且成晶率高。

在根据本公开的砷化铟晶体生长方法中，在进行晶体生长时，生长容器1为真空状态。晶体在真空环境中进行生长，避免三氧化二硼M4吸水以及第一砷化铟多晶M2和第二砷化铟多晶M3氧化。

参照图2，在步骤S1中，砷化铟籽晶M1、第一砷化铟多晶M2、三氧化二硼M4和第二砷化铟多晶M3依次加入内坩埚11内。在使用根据本公开的砷化铟晶体生长方法进行晶体生长时，第一砷化铟多晶M2在加入内坩埚11后形成第一砷化铟多晶层，第一砷化铟多晶层内部有孔，三氧化二硼M4会进入所述孔内，从而第一砷化铟多晶层给三氧化二硼M4制造了一个相对密闭的环境，减小了三氧化二硼M4与周围环境的接触面积，从而减少了三氧化二硼M4从周围环境中吸水的可能性。而且，在生长容器1利用氢氧焰烧焊密封生长容器1时，焊接过程会产生水，由于三氧化二硼M4易吸水，通过以砷化铟籽晶M1、第一砷化铟多晶M2、三氧化二硼M4和第二砷化铟多晶M3依次加入内坩埚11的加料顺序加料，可防止三氧化二硼M4在生长容器1密封时吸收水而影响其发挥作用。此外，通过三氧化二硼M4覆盖部分第一砷化铟多晶M2可防止多晶材料的氧化，从而降低装置成本。

在步骤S1中，可按照化学计量比称重三氧化二硼M4、第一砷化铟多晶M2和第二砷化铟多晶M3，三氧化二硼M4的质量可为第一砷化铟多晶M2和第二砷化铟多晶M3的总质量的0.2％-0.5％。可选择纯度为5N以上的三氧化二硼M4，以尽量减少水对三氧化二硼M4功效的影响。

具体地，在一些实施例中，利用垂直梯度凝固法生长得到砷化铟晶体包括步骤：S31，开启温控装置4，对第一温区311和第二温区312加热至970-1000℃、对第三温区313加热至960-970℃、对第四温区314加热至955-960℃且对第五温区315加热至950-955℃，然后使第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314以及第五温区315保温1-12h。S32，使第一温区311和第二温区312逐渐降温至920-940℃，使第三温区313逐渐降温至910-920℃，使第四温区314逐渐降温至870-910℃，并使第五温区315逐渐降温至850-870℃，然后使第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315保温15-24h，以得到砷化铟晶体。S33，使第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315降温至室温，将生长容器1从炉体3的炉腔31内取出，打开密封外坩埚12的坩埚盖2，取出内坩埚11，然后取出生长得到的砷化铟晶体。

在利用垂直梯度凝固法生长得到砷化铟晶体的步骤中，通过步骤S31对第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315进行加热并保温，第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315形成温度梯度，使内坩埚11内的原料熔化，以得到砷化铟籽晶熔体、砷化铟多晶熔体和三氧化二硼熔体，然后通过步骤S32降低第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315的温度并保温，可降温使第一温区311和第二温区312的温度高于第三温区313的温度，第三温区313的温度高于第四温区314的温度，且第四温区314的温度高于第五温区315的温度以形成温度梯度，从而使砷化铟籽晶熔体、砷化铟多晶熔体、三氧化二硼熔体依次降温固化。砷化铟晶体是在全部原料熔化后才开始进行生长，从而避免原料熔化吸热对晶体生长界面的扰动，有利于降低晶体的缺陷。其中三氧化二硼熔体最后才固化，避免砷化铟在晶体生长过程中被氧化，减少对砷化铟晶体生长的扰动因素，从而提高砷化铟晶体的纯度。通过在进行砷化铟晶体生长时，先控制原料在950℃-1000℃的温度范围且相邻温区的垂直温差在诸如20-50℃的范围的条件下恒温熔化，再降温固化，从而得到砷化铟晶体。通过步骤S31中选择的加热温度和温区之间形成的温度梯度，使得晶体生长时熔体对流明显，更有利于改善晶体整体杂质分布的均匀性以及避免晶体中出现孪晶等缺陷，此外，还有利于提高砷化铟晶体成晶率，甚至能使该成晶率达到100％。

在利用垂直梯度凝固法生长得到砷化铟晶体的步骤中，通过步骤S31升温熔料和步骤S32降温固化生长得到砷化铟晶体，晶体的成晶率可以达到100％，晶体整体质量的均匀性得到进一步改善，平均位错密度低至2000/cm²以下；并且使砷化铟晶体的头部和尾部的载流子浓度和电子迁移率差异进一步缩小，晶体的纵向不均匀度降低，而大幅增大砷化铟晶体的可用部分。

在步骤S32中，使第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315均以0.2-2.0℃/h的降温速率进行降温。第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315以0.2-2.0℃/h的降温速率进行降温且降温结束后保温15-24h以得到砷化铟晶体，有利于改善得到的砷化铟晶体整体杂质分布的均匀性和质量的均匀性，使得晶体的头部和尾部的载流子浓度和电子迁移率差异更小，从而提高成品率。

在一些实施例中，在步骤S33中，可使第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315均以5-15℃/h的降温速率降温至室温。

参照图1和图2，下面具体说明根据本公开的砷化铟晶体生长装置的一实施例，砷化铟晶体生长装置包括生长容器1、坩埚盖2、炉体3、温控装置4以及支撑结构8，其中生长容器1包括内坩埚11和外坩埚12，内坩埚11的上端开口且置于外坩埚12内，坩埚盖2烧焊于外坩埚12的上端，生长容器1设置在炉体3的炉腔31内，支撑结构8位于生长容器1的下部用于支撑固定生长容器1；内坩埚11包括等径的第一主体部111、第一籽晶腔112和连接第一主体部111和第一籽晶腔112的锥形的第一肩部113，其中沿炉腔31的上下方向Z，第一主体部111的高度为350mm，第一肩部113的高度为50mm，第一籽晶腔112的高度为50mm；外坩埚12包括等径的第二主体部121、第二籽晶腔122和连接第二主体部121和第二籽晶腔122的锥形的第二肩部123，其中第二主体部121的高度为370mm，第二肩部123的高度为50mm，第二籽晶腔122的高度为55mm；第一温区311的高度为220mm，第二温区312的高度为150mm，第三温区313的高度为170mm，第四温区314的高度为170mm且第五温区315的高度为130mm，各温区均设有独立的温控装置4，温控装置4包括加热器41和第四测温热电偶42。在第一籽晶腔112的上下两端(即第一端112a和第二端112b)以及第一肩部113的上半部分分别设有第一测温热电偶5、第二测温热电偶6和第三测温热电偶7，其中第一籽晶腔112的上下两端设置的第一测温热电偶5和第二测温热电偶6能用于监控砷化铟籽晶的熔化位置，第一肩部113的上半部分设置的第三测温热电偶7能用于监控第一砷化铟多晶M2、第二砷化铟多晶M3和三氧化二硼M4是否熔化。第一测温热电偶5、第二测温热电偶6和第三测温热电偶7分别插入支撑结构8的第一通孔81、第二通孔82和第三通孔83内，第一通孔81、第二通孔82和第三通孔83的孔径设为7mm。炉腔31、内坩埚11的第一主体部111和外坩埚12的第二主体部121为同中心轴的圆柱体，这样可使温区(指第一温区311、第二温区312、第三温区313、第四温区314和第五温区315)加热时，第一主体部111内的原料受热更均匀。将炉腔31的内径设为155mm；外坩埚12的第二主体部121的内径设为112mm，第二主体部121的壁厚设为5mm；内坩埚11的第一主体部111的内径设为105mm，第一主体部111的壁厚设为2mm，这样不仅使所述温区、外坩埚12和内坩埚11之间具有非常好的热辐射效率，还使外坩埚12和内坩埚11均具有非常高的机械强度，避免内坩埚11的清洗对其强度产生明显影响，利于其循环使用。在这里补充说明的是，砷化铟晶体生长装置还可包括控制器(未示出)，以用于控制所述温区的自动上升或下降。

在使用砷化铟晶体生长装置并利用垂直梯度凝固法进行砷化铟晶体生长时，砷化铟晶体可从熔体的底部开始生长，而不会受到浮渣的干扰，且其能通过温控装置4来实现晶体生长的自动化，最终得到的砷化铟晶体成品率高、位错密度低、质量稳定可控。另外，在生长容器1的上方设置第一温区311，产生保温的效果，使置于内坩埚11中的原料能更准确地达到设定的温度，尤其是紧邻第一温区311的原料，从而使所得到的砷化铟晶体质量分布更均匀，平均位错密度更低，得到的砷化铟晶体的头部和尾部的载流子浓度和电子迁移率差异更小，大幅增大砷化铟晶体可使用的部分。并且通过使第一籽晶腔112位于第四温区314并在低于生长容器1的底部的位置设置第五温区315，确保在使熔体降温固化为晶体的初期，内坩埚11底部的熔体能更准确地达到设定的温度，从而确保固化初期生长的晶体具有更好的品质，确保单晶的成晶率更高，因此使得制备得到的砷化铟晶体整体质量分布更均匀，位错密度低且成晶率高。

参照图1和图2，下面具体说明根据本公开的砷化铟晶体生长方法的一实施例，所述砷化铟晶体生长方法的实施例利用本公开的砷化铟晶体生长装置进行，且砷化铟晶体生长方法包括以下步骤：步骤一：将内坩埚11放置于外坩埚12内，再将位错密度为500cm^-2的<100>方向的砷化铟籽晶M1放置在内坩埚11的第一籽晶腔112内，砷化铟籽晶M1的直径为6mm，且长度为50mm，再在内坩埚11内装填总质量为8kg的第一砷化铟多晶M2和第二砷化铟多晶M3(其中，第二砷化铟多晶M3的质量可由待生成的砷化铟晶体的长度确定)，以及质量为20g的三氧化二硼M4，且将第一砷化铟多晶M2、三氧化二硼M4和第二砷化铟多晶M3依次加入内坩埚11内，加料后各原料的位置关系如图2所示(第一砷化铟多晶M2内部有孔，三氧化二硼M4可容置在所述孔内)，之后立即将外坩埚12内部的空气抽空，然后用坩埚盖2密封外坩埚12，避免三氧化二硼M4吸收大气中的水分。步骤二：将生长容器1转移至设置于炉腔31内的支撑结构8上；将第三温区313和第四温区314的分界线与第一主体部111和第一肩部113的分界线处于同一水平面后，开启温控装置4，使第一温区311的温度为1000℃，第二温区312的温度为970℃，第三温区的温度为970℃，第四温区的温度为960℃，且第五温区的温度为950℃，以控制温度使原料全部熔化后再进行晶体生长，当砷化铟籽晶M1熔化约25mm时，控制各温区恒温1h，然后使第一温区311、第二温区312和第三温区313以1.2℃/h的降温速率进行降温，第四温区314以1.6℃/h的降温速率进行降温，第五温区315以2℃/h的降温速率进行降温，当第一温区311降温至940℃，第二温区312降温至920℃，第三温区313降温至910℃，第四温区314降温至880℃，且第五温区315降温至850℃时，恒温15-24h，即得到砷化铟晶体。然后使各温区以10℃/h的降温速率继续降温至室温，之后将外坩埚12取出，切开坩埚盖2，取出内坩埚11，再将内坩埚11内部的三氧化二硼凝块敲碎倒出后，取出生长得到的砷化铟晶体。该实施例得到的砷化铟晶体整体为单晶。在对砷化铟晶体进行滚磨、切片后，对其等径部分晶片进行测试，测得晶体平均位错密度为1500/cm²，平均位错密度低，砷化铟晶体整体质量分布均匀，成晶率高。砷化铟晶体的头部载流子浓度2.3×10¹⁶cm^-3，且电子迁移率3.5×10⁴/(V·s)，且砷化铟晶体的尾部载流子浓度2.8×10¹⁶cm^-3，且电子迁移率4.0×10⁴/(V·s)，得到的砷化铟晶体的头部和尾部的载流子浓度和电子迁移率差异小，大幅增大了砷化铟晶体可使用的部分。

上面详细的说明描述多个示范性实施例，但本文不意欲限制到明确公开的组合。因此，除非另有说明，本文所公开的各种特征可以组合在一起而形成出于简明目的而未示出的多个另外组合。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种砷化铟晶体生长装置，其特征在于，砷化铟晶体生长装置包括生长容器(1)、坩埚盖(2)、炉体(3)以及温控装置(4)；

所述生长容器(1)包括内坩埚(11)和外坩埚(12)，所述内坩埚(11)包括第一主体部(111)、用于容纳籽晶的第一籽晶腔(112)和连接所述第一主体部(111)和所述第一籽晶腔(112)的第一肩部(113)，所述第一主体部(111)位于所述第一籽晶腔(112)的上方；所述外坩埚(12)套设于所述内坩埚(11)的外部并与所述内坩埚(11)间隔开，且所述外坩埚(12)的内部轮廓与所述内坩埚(11)的外部轮廓相匹配，所述坩埚盖(2)用于密封所述外坩埚(12)；

所述炉体(3)设置有炉腔(31)，所述生长容器(1)位于所述炉腔(31)内，所述炉腔(31)由上至下依次设置有第一温区(311)、第二温区(312)、第三温区(313)、第四温区(314)和第五温区(315)，所述温控装置(4)设置于所述第一温区(311)、所述第二温区(312)、所述第三温区(313)、所述第四温区(314)和所述第五温区(315)，用于加热所述第一温区(311)、所述第二温区(312)、所述第三温区(313)、所述第四温区(314)和所述第五温区(315)并控制其温度；

沿所述炉腔(31)的上下方向(Z)，所述第一温区(311)高于所述生长容器(1)的顶部，所述第五温区(315)低于所述生长容器(1)的底部，且所述第一籽晶腔(112)位于所述第四温区(314)。

2.根据权利要求1所述的砷化铟晶体生长装置，其特征在于，沿所述炉腔(31)的上下方向(Z)，所述第三温区(313)和所述第四温区(314)之间的分界线与所述第一主体部(111)和所述第一肩部(113)之间的连接位置位于同一平面。

3.根据权利要求1所述的砷化铟晶体生长装置，其特征在于，所述第一温区(311)、所述第二温区(312)、所述第三温区(313)、所述第四温区(314)和所述第五温区(315)沿所述炉腔(31)的上下方向(Z)的高度比为：

220-230mm:140-150mm:160-170mm:170-180mm:130-140mm。

4.根据权利要求1所述的砷化铟晶体生长装置，其特征在于，所述第一籽晶腔(112)具有连接所述第一肩部(113)的第一端(112a)和远离所述第一肩部(113)的第二端(112b)；

所述砷化铟晶体生长装置还包括第一测温热电偶(5)和第二测温热电偶(6)，所述第一测温热电偶(5)和所述第二测温热电偶(6)沿所述炉腔(31)的上下方向(Z)朝向所述生长容器(1)延伸，且所述第一测温热电偶(5)的第一测量端(51)和所述第二测温热电偶(6)的第二测量端(61)分别位于所述第一籽晶腔(112)的第一端(112a)和第二端(112b)。

5.根据权利要求4所述的砷化铟晶体生长装置，其特征在于，所述砷化铟晶体生长装置还包括第三测温热电偶(7)，所述第三测温热电偶(7)沿所述炉腔(31)的上下方向(Z)朝向所述生长容器(1)延伸，且所述第三测温热电偶(7)的第三测量端(71)位于所述内坩埚(11)的所述第一肩部(113)的上半部分。

6.根据权利要求5所述的砷化铟晶体生长装置，其特征在于，所述砷化铟晶体生长装置还包括支撑结构(8)，所述生长容器(1)支撑于所述支撑结构(8)上，所述支撑结构(8)开设有沿所述炉腔(31)的上下方向(Z)贯通的第一通孔(81)、第二通孔(82)以及第三通孔(83)，所述第一测温热电偶(5)插入所述第一通孔(81)内，所述第二测温热电偶(6)插入所述第二通孔(82)内，所述第三测温热电偶(7)插入所述第三通孔(83)内。

7.一种砷化铟晶体生长方法，其特征在于，使用权利要求1-6中任一项所述的砷化铟晶体生长装置进行砷化铟晶体生长，所述砷化铟晶体生长方法包括步骤：

S1：准备制备砷化铟晶体所需的原料，所述原料包括砷化铟籽晶(M1)、第一砷化铟多晶(M2)、第二砷化铟多晶(M3)和三氧化二硼(M4)；

S2：提供生长容器(1)，所述生长容器(1)包括内坩埚(11)和外坩埚(12)，将所述内坩埚(11)放置于所述外坩埚(12)内，将所述砷化铟籽晶(M1)加入所述内坩埚(11)的第一籽晶腔(112)内，然后将所述第一砷化铟多晶(M2)、所述三氧化二硼(M4)和所述第二砷化铟多晶(M3)依次加入所述内坩埚(11)内，装料完毕后对所述外坩埚(12)抽真空并通过坩埚盖(2)密封所述外坩埚(12)；

S3，将所述生长容器(1)装入炉体(3)的炉腔(31)内，使所述内坩埚(11)的第一主体部(111)位于第一籽晶腔(112)的上方，所述炉腔(31)由下至上依次设置有第一温区(311)、第二温区(312)、第三温区(313)、第四温区(314)和第五温区(315)；沿所述炉腔(31)的上下方向(Z)，使所述第一温区(311)高于所述生长容器(1)的顶部、所述第五温区(315)低于所述生长容器(1)的底部、所述第一籽晶腔(112)位于所述第四温区(314)；利用垂直梯度凝固法生长得到砷化铟晶体。

8.根据权利要求7所述的砷化铟晶体生长方法，其特征在于，利用垂直梯度凝固法生长得到砷化铟晶体包括步骤：

S31，开启温控装置(4)，对所述第一温区(311)和所述第二温区(312)加热至970-1000℃、对所述第三温区(313)加热至960-970℃、对所述第四温区(314)加热至955-960℃且对所述第五温区(315)加热至950-955℃，然后使所述第一温区(311)、所述第二温区(312)、所述第三温区(313)、所述第四温区(314)以及所述第五温区(315)保温1-12h；

S32，使所述第一温区(311)和所述第二温区(312)逐渐降温至920-940℃，使所述第三温区(313)逐渐降温至910-920℃，使所述第四温区(314)逐渐降温至870-910℃，并使所述第五温区(315)逐渐降温至850-870℃，然后使所述第一温区(311)、所述第二温区(312)、所述第三温区(313)、所述第四温区(314)和所述第五温区(315)保温15-24h，以得到砷化铟晶体；

S33，使所述第一温区(311)、所述第二温区(312)、所述第三温区(313)、所述第四温区(314)和所述第五温区(315)降温至室温，将所述生长容器(1)从所述炉体(3)的炉腔(31)内取出，打开密封所述外坩埚(12)的所述坩埚盖(2)，取出所述内坩埚(11)，然后取出生长得到的所述砷化铟晶体。

9.根据权利要求8所述的砷化铟晶体生长方法，其特征在于，在步骤S32中，使所述第一温区(311)、所述第二温区(312)、所述第三温区(313)、所述第四温区(314)和所述第五温区(315)均以0.2-2.0℃/h的降温速率进行降温。

10.根据权利要求8所述的砷化铟晶体生长方法，其特征在于，在步骤S33中，使所述第一温区(311)、所述第二温区(312)、所述第三温区(313)、所述第四温区(314)和所述第五温区(315)均以5-15℃/h的降温速率降温至室温。

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