CN204803443U - 一种用于晶体生长的加热装置 - Google Patents

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朱刘
胡丹
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本实用新型提供了一种用于晶体生长的加热装置，包括：保温壳体，壳体内部有空腔，为晶体的生长提供空间；壳体表面缠绕有电阻丝，晶体生长高温区电阻丝的缠绕密度＞晶体生长中温区电阻丝的缠绕密度＞晶体生长低温区电阻丝的缠绕密度；加热控制器，用于控制加热所述电阻丝。在本实用新型中，电阻丝为发热元件，本实用新型将电阻丝按照不同的缠绕密度缠绕在保温壳体表面，形成三个不同的热场，实现多晶合成和多晶生长。与现有技术相比，本实用新型提供的加热装置结构简单，操作方便，并且成本较低。

Description

一种用于晶体生长的加热装置
技术领域
本实用新型属于晶体生长技术领域，尤其涉及一种用于晶体生长的加热装置。
背景技术
随着科技的进步和发展，越来越多的半导体晶体，因其在光电系统中的突出作用，越来越得到人们广泛的重视。在制备半导体晶体的过程中，需要首先合成多晶材料，然后使用制备的多晶材料进行单晶生长。
制备这些半导体多晶材料的方法有多种，例如水平布里奇曼法，液泡法等。其中水平布里奇曼法使用较多，合成速度较快，合成的多晶材料质量较高。制备这些半导体晶体单晶材料的方法有多种，主要包括提拉法，下降法，温度梯度法，水平布里奇曼法等，其中垂直布里奇曼法和温度梯度法生长的晶体具有更低的位错密度，适合生长有较高质量要求的半导体单晶。
目前常用的用于合成半导体多晶的水平布里奇曼法所用的装置，包括三个温区，分别是金属熔区(高温区)，多晶合成区(中温区)和低温区。在使用垂直布里奇曼法和水平布里奇曼法生长单晶的时候，也常常使用三段温区的温场设计，包括熔区(高温区)，固液界面区(中温区)和晶体区(低温区)。例如中国专利1844487A“水平三温区梯度凝固法生长砷化镓单晶的方法”中对三温区的描述，其中，高温区温度在砷化镓熔点之上；中温区减少了固液界面的温度梯度，既减少了石英中硅的污染，又减小了结晶区的温度梯度；低温区用来控制砷的蒸汽压，以保持砷化镓熔体分解压平衡。以及中国专利102230213A“碲溶剂溶液法生长碲锌镉晶体的方法”中的三温区的晶体生长装置。
为了满足晶体生长所需要的高、中、低三段温区，这些常用的多晶合成和单晶的加热设备，通常是由三个独立的加热器构成，每个加热器单独控制。例如中国专利2885891Y“生长砷化镓单晶的温控炉”中的三温区系统：每个温区有独立控制的加热炉丝，独立温度测量和反馈装置。但这种设计在工艺稳定后造成了诸多不便，例如热场结构复杂，控制复杂等。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种用于晶体生长的加热装置，本实用新型提供的加热装置结构和操作简单。
本实用新型提供一种用于晶体生长的加热装置，包括：
保温壳体，壳体内部有空腔，为晶体的生长提供空间；壳体表面缠绕有电阻丝，晶体生长高温区电阻丝的缠绕密度＞晶体生长中温区电阻丝的缠绕密度＞晶体生长低温区电阻丝的缠绕密度；
加热控制器，用于控制加热所述电阻丝。
优选的，所述保温壳体表面有供电阻丝缠绕的凹槽。
优选的，所述保温壳体为陶瓷保温壳体、保温棉保温壳体或玻璃保温壳体。
优选的，所述保温壳体的形状为圆柱形或棱柱形。
优选的，所述保温壳体的壁厚为50～100mm。
优选的，所述保温壳体的长度为500～1500mm。
优选的，所述电阻丝为镍铬电阻丝、铁铬铝电阻丝或钨钼电阻丝。
本实用新型提供了一种用于晶体生长的加热装置，包括：
保温壳体，壳体内部有空腔，为晶体的生长提供空间；壳体表面缠绕有电阻丝，晶体生长高温区电阻丝的缠绕密度＞晶体生长中温区电阻丝的缠绕密度＞晶体生长低温区电阻丝的缠绕密度；加热控制器，用于控制加热所述电阻丝。在本实用新型中，电阻丝为发热元件，本实用新型将电阻丝按照不同的缠绕密度缠绕在保温壳体表面，形成三个不同的热场，实现多晶合成和多晶生长。与现有技术相比，本实用新型提供的加热装置结构简单，操作方便，并且成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本实用新型提供的用于晶体生长的加热装置的示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
本实用新型提供了一种用于晶体生长的加热装置，包括：
保温壳体，壳体内部有空腔，为晶体的生长提供空间；壳体表面缠绕有电阻丝，晶体生长高温区电阻丝的缠绕密度＞晶体生长中温区电阻丝的缠绕密度＞晶体生长低温区电阻丝的缠绕密度；
加热控制器，用于控制加热所述电阻丝。
本实用新型提供的加热装置结构简单，操作简单，成本较低。
参见图1，图1为本实用新型提供的用于晶体生长的加热装置的示意图。图1中，1为保温壳体，2为电阻丝，电阻丝按照不同的稠密程度缠绕在所述保温壳体的表面的凹槽中(凹槽图中未标出)，使用加热控制器(图中未给出)给所述电阻丝通电加热时，在保温壳体内部的空腔内形成晶体生长高温区、晶体生长中温区和晶体生长低温区。
本实用新型提供的加热装置包括保温壳体1，所述保温壳体起支撑电阻丝和保温的作用。所述保温壳体优选为圆柱形或棱柱形，更优选为圆柱形、三棱柱形或四棱柱形，具体的，可采用常见的套管；内部有圆柱形的空腔，以便装入供晶体生长的坩埚，所述保温壳体表面有供电阻丝缠绕的凹槽(图中未标出)，所述凹槽的尺寸以及疏密程度应当与电阻丝的尺寸和疏密程度相匹配；所述保温壳体优选为陶瓷保温壳体、保温棉保温壳体或玻璃保温壳体，具体的，如本实用新型中采用的材质为莫来石砖的陶瓷保温壳体。所述保温壳体的长度优选为500～1500mm，所述保温壳体的壁厚优选为50～100mm，更优选为60～80mm。本实用新型对所述保温壳体的直径没有特殊的限制，与晶体生长所使用的坩埚尺寸相匹配即可。
本实用新型提供的加热装置包括电阻丝2，所述电阻丝按照一定的疏密程度缠绕在所述保温壳体表面，更优选缠绕在所述保温壳体表面的凹槽中，电阻丝缠绕在保温壳体的凹槽内，还可以避免电阻丝变形或者相互碰撞，有利于提高电阻丝加热效果，延长电阻丝使用寿命。在本实用新型中，所述电阻丝优选为镍铬电阻丝、铁铬铝电阻丝或钨钼电阻丝，具体的，在本实用新型的实施例中，可采用牌号为HRE的冷拉合金丝、0Cr25Al5冷拉合金丝或0Cr21Al6Nb冷拉合金丝。
在本实用新型中，根据所述电阻丝缠绕的稠密程度不同，可划分为三个温区，电阻丝缠绕较为稠密的区域温度较高，为晶体生长高温区，电阻丝缠绕适中的区域温度较为适中，为晶体生长中温区，电阻丝缠绕疏松的区域温度较低，为晶体生长低温区，即所述高温区电阻丝的缠绕密度＞中温区电阻丝的缠绕密度＞低温区电阻丝的缠绕密度。给所述电阻丝通电发热时，保温壳体内部会形成三段温区，由于不同的晶体生长时所需的温度可能不同，因此，本实用新型对所述晶体生长高温区、晶体生长中温区和晶体生长低温区电阻丝缠绕密度的具体数值没有特殊的限制，可根据实际需求进行相应的调整。例如，在本实用新型的实施例中，合成砷化镓多晶时，可采用如下设置：高温区长度为500mm，电阻丝缠绕间隔密度是5mm/匝；中温区长度是300mm，电阻丝缠绕间隔密度是6mm/匝；低温区长度是200mm，电阻丝缠绕间隔密度是10mm/匝；生长锗单晶时，可采用如下设置：高温区长度为350mm，电阻丝缠绕间隔密度是5mm/匝；中温区长度是200mm，电阻丝缠绕间隔密度是5.3mm/匝；低温区长度是50mm，电阻丝缠绕间隔密度是6mm/匝；生长磷化铟单晶时，可采用如下设置：高温区长度为300mm，电阻丝缠绕间隔密度是5mm/匝；中温区长度是200mm，电阻丝缠绕间隔密度是5.5mm/匝；低温区长度是100mm，电阻丝缠绕间隔密度是6mm/匝。
本实用新型提供的加热装置包括加热控制器，用于控制加热电阻丝。与现有技术相比，本实用新型只需使用一个加热控制器即可在所述保温壳体内部形成高、中、低三个温区，满足晶体生长的需要。在本实用新型中，所述加热控制器为本领域技术人员常用的加热控制器。
本实用新型提供的加热装置中的保温壳体可平放或竖放，分别适用于水平布里奇曼法和垂直布里奇曼法；本实用新型提供的用于晶体成长的加热装置可用于砷化镓、磷化镓、砷化铟、磷化铟、锗或碲锌镉晶体的生长，具体的，所述晶体生长可以是多晶的合成，也可以是单晶的生长。
本实用新型提供了一种用于晶体生长的加热装置，包括：
保温壳体，壳体内部有空腔，为晶体的生长提供空间；壳体表面缠绕有电阻丝，晶体生长高温区电阻丝的缠绕密度＞晶体生长中温区电阻丝的缠绕密度＞晶体生长低温区电阻丝的缠绕密度；加热控制器，用于控制加热所述电阻丝。在本实用新型中，电阻丝为发热元件，本实用新型将电阻丝按照不同的缠绕密度缠绕在保温壳体表面，形成三个不同的热场，实现多晶合成和多晶生长。与现有技术相比，本实用新型提供的加热装置结构简单，操作方便，并且成本较低；并且，使用本实用新型提供的加热装置进行多晶合成时，合成多晶重复率高，不同批次见多晶差异小；进行单晶生长时，多晶的利用率接近100％。
实施例1
采用水平布里奇曼法合成砷化镓多晶，采用如图1所示加热装置，陶瓷套管材质是莫来石砖，长度为1000mm；电阻丝型号为0Cr21Al6Nb；高温区长度为500mm，电阻丝缠绕间隔密度是5mm/匝；中温区长度是300mm，电阻丝缠绕间隔密度是6mm/匝；低温区长度是200mm，电阻丝缠绕间隔密度是10mm/匝。将加热器装置水平放置。陶瓷套管1内部装入密封的真空石英容器。石英容器的长度为900mm，石英容器两端各距离陶瓷套管的两端50mm。石英容器中，在低温区相应的位置，装有340g的6N砷原料；在高温区和中温区之间，装有一个盛有310g的6N镓金属的石英舟。石英舟的长度是300mm，其中在高温区内200mm，中温区内100mm。多晶生长时，逐渐升温并使低温区温度达到610℃，升温速率为5℃/h。恒温6h后，逐渐降温，降温速率为10℃/h，直至室温，得到砷化镓多晶。
采用此装置合成的砷化镓多晶，物相单一，结晶状况良好；多晶利用率在95～100％之间(多晶利用率为实际能够使用的原料量与初始原料量的比值，浪费的主要是装置壁上粘结的无法取出的原料)；合成多晶重复率高，不同批次间多晶差异小。
实施例2
采用水平布里奇曼法生长锗单晶，采用如图1所示加热装置，陶瓷套管材质是莫来石砖，长度为600mm；电阻丝型号为0Cr25Al5；高温区长度为350mm，电阻丝缠绕间隔密度是5mm/匝；中温区长度是200mm，电阻丝缠绕间隔密度是5.3mm/匝；低温区长度是50mm，电阻丝缠绕间隔密度是6mm/匝。将套管水平放置。陶瓷套管1内部装入密封石英容器。石英容器的长度为500mm，石英容器两端各距离陶瓷套管的两端50mm。石英容器的两端分别有进气口盒出气口，进气口连有高纯氮气瓶。石英容器内装有一个石墨坩埚，坩埚长度450mm；其中装有籽晶的一端靠近低温区，籽晶长度为40mm；石墨坩埚内部装有1kg的6N区熔锗锭及少量掺杂剂。单晶生长时，首先以4L/min的速率由进气口向石英容器内充入高纯氮气，2h后改为2L/min。4h后逐渐升温并使低温区温度达到850℃，升温速率为10℃/h。恒温1h后，逐渐降温，降温速率为1℃/h，直至低温区温度达到750℃时，保温3h，将降温速率逐渐增大至10℃/h，直至室温。之后关掉氮气，打开石英容器，得到锗单晶。
采用此装置合成的锗单晶，结晶状况良好，成晶率在90～100％之间；单晶重复率较高，不同批次间单晶质量差异小。
按照GB/T5252检测，本实施例得到的锗单晶位错密度在200-1000/cm2之间；按照GB/T4326检测本实施例得到的锗单晶的载流子浓度在1×1018/cm3左右。
实施例3
采用垂直布里奇曼法生长磷化铟单晶，采用如图1所示加热装置，陶瓷套管材质是莫来石砖，长度为600mm；电阻丝型号为HRE冷拉合金丝；高温区长度为300mm，电阻丝缠绕间隔密度是5mm/匝；中温区长度是200mm，电阻丝缠绕间隔密度是5.5mm/匝；低温区长度是100mm，电阻丝缠绕间隔密度是6mm/匝。将套管垂直放置，低温区在下，高温区在上方。陶瓷套管1内部装入密封的真空石英容器。石英容器的高度为500mm，石英容器两端各距离陶瓷套管的两端50mm。石英容器中装有一个pBN坩埚和坩埚支撑装置，坩埚高度400mm。坩埚装有籽晶的一端在下方，坩埚内盛有10kg的6N磷化铟多晶料和300g的5N无水氧化硼。pBN坩埚在低温区内约20mm，中温区内200mm，高温区内180mm。单晶生长时，逐渐升温并使低温区温度达到980℃，升温速率为8℃/h。恒温2h后，逐渐降温，降温速率为1℃/h，直至低温区温度达到850℃后，保温4h，然后将降温速率改为10℃/h，直至室温。之后打开石英容器，得到磷化铟单晶。
采用此装置生长的磷化铟单晶，结晶状况良好，成品率为50％；合成单晶重复率高，不同批次间单晶差异小。按照SJ/T3245的要求，测得的本实施例制得的磷化铟晶体平均位错密度在3000/cm2左右，局部位错密度在500/cm2以下；按照国标SJ/T3244的要求测试得到的本实施例得到的磷化铟晶体载流子浓度<1016/cm3，迁移率3000cm2/Vs左右。

Claims (7)

1.一种用于晶体生长的加热装置，包括：
保温壳体，壳体内部有空腔，为晶体生长提供空间；壳体表面缠绕有电阻丝，晶体生长高温区电阻丝的缠绕密度＞晶体生长中温区电阻丝的缠绕密度＞晶体生长低温区电阻丝的缠绕密度；
加热控制器，用于控制加热所述电阻丝。
2.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述保温壳体表面有供电阻丝缠绕的凹槽。
3.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述保温壳体为陶瓷保温壳体、保温棉保温壳体或玻璃保温壳体。
4.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述保温壳体的形状为圆柱形或棱柱形。
5.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述保温壳体的壁厚为50～100mm。
6.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述保温壳体的长度为500～1500mm。
7.根据权利要求1所述的加热装置，其特征在于，所述电阻丝为镍铬电阻丝、铁铬铝电阻丝或钨钼电阻丝。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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