CN206244919U - 一种半绝缘SiC单晶的生长装置 - Google Patents
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Abstract
针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种半绝缘SiC单晶的生长装置，包括：上盖、下盖、生长炉炉腔、石墨坩埚、保温材料、红外测温仪、炉腔壁加热装置、感应加热装置、进气口和出气口。由此，该装置能够在生长开始前的抽真空过程中，对炉腔壁进行加热，加速炉腔壁吸附氮气的解吸附，使其在生长开始前被排出生长腔，降低生长开始后生长炉炉腔壁的氮气放气率，从而，降低单晶中氮杂质浓度，实现半绝缘SiC单晶的制备。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种高频器件应用领域，主要涉及一种半绝缘SiC单晶的生长装置。
背景技术
作为第三代宽带隙半导体材料的一员，相对于常见Si和GaAs等半导体材料，碳化硅材料具有禁带宽度大、载流子饱和迁移速度高，热导率高、临界击穿场强高等诸多优异的性质。基于这些优良的特性，碳化硅材料是制备高温电子器件、高频、大功率器件更为理想的材料。特别是在极端条件和恶劣条件下应用时，SiC器件的特性远远超过了Si器件和GaAs器件。同时SiC另一种宽禁带半导体材料GaN 最好的衬底材料，使用SiC衬底制备的GaN基白光LED发光效率远高于传统的Si及蓝宝石衬底。
在高频器件应用领域，半绝缘SiC衬底能够有效降低器件的介电损耗和寄生效应，大幅降低开关损耗，因此更适宜用来制备微波器件。通常获取半绝缘SiC单晶的方法是使用钒杂质掺杂或使用SiC本征点缺陷在SiC的禁带中引入深能级补偿残余的浅能级杂质，但通常需要深能级完全补偿浅能级杂质时才能够实现单晶的半绝缘特性。钒元素在SiC单晶中具备有限的固溶度，通常SiC本征点缺陷浓度远低于钒元素的固溶度，因此为制备半绝缘SiC单晶，需要将浅能级杂质控制在较低的浓度。氮元素是IV族化合物半导体SiC中的常见的施主杂质，生长体系对空气中氮气的吸附是生长单晶中氮杂质的重要来源，因此降低生长体系对氮气的吸附制备半绝缘单晶非常关键。
物理气相传输方法，又称籽晶升华法是目前最成熟的制备SiC单晶的制备方法。该方法的基本方法和原理为：粉料和籽晶分别置于石墨坩埚的顶部和底部，使用感应加热方法建立由籽晶指向粉料的正温度梯度。当温度达到粉料的升华温度，粉料分解为Si2C，SiC2和Si等气相生长组分以及固态的碳残留，气相生长组分在温度梯度的作用下向上输运至籽晶，沉积在籽晶上进而实现SiC单晶的生长；并且，通常为生长半绝缘SiC单晶，在生长开始前会对生长腔进行抽真空，目的为尽量排除炉腔内残余的氮气，降低单晶中的氮杂质浓度。但是，现有技术中常用的物理气相传输方法制备高纯度SiC单晶过程中，在生长开始前会进行抽真空处理，通常情形下生长炉炉腔腔壁温度较低，在正式进入生长前无法使生长炉炉腔腔壁吸附氮气完全释放被排除出生长腔。这导致在正式开始单晶生长时，吸附在生长炉炉腔仍存在较大的放气率，腔壁吸附氮气进入生长腔，导致单晶中氮含量增加，导致半绝缘SiC单晶制备效率及成功率低下。现有技术中常见的炉腔结构，在生长开始前的抽真空处理过程中，生长炉炉腔壁均处于较低温度的状况，吸附在生长炉炉腔壁的氮气较难被排出生长腔外，导致单晶生长开始后，生长炉炉腔壁存在较大的氮气放气率，导致单晶具有较高浓度的浅施主杂质氮，进而导致半绝缘SiC单晶的制备效率低下及制备成本居高不下。因此，如何设计出一种成本低、效率高和耗时短的半绝缘SiC单晶的生长装置，成为目前亟需解决的难题。
实用新型内容
针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种半绝缘SiC单晶的生长装置，该装置能够在生长开始前的抽真空过程中，对炉腔壁进行加热，加速炉腔壁吸附氮气的解吸附，使其在生长开始前被排出生长腔，降低生长开始后生长炉炉腔壁的氮气放气率，从而，降低单晶中氮杂质浓度，实现半绝缘SiC单晶的制备。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
一种半绝缘SiC单晶的生长装置，其特征在于，包括：上盖、下盖、生长炉炉腔、石墨坩埚、保温材料、红外测温仪、炉腔壁加热装置、感应加热装置、进气口和出气口，其中，所述石墨坩埚，放置在所述生长炉炉腔内部，用于半绝缘SiC单晶的生长；所述保温材料设置在所述生长炉炉腔与所述石墨坩埚之间，用于所述石墨坩埚的保温处理；所述红外测温仪，用于测量SiC粉料的生长温度；所述炉腔壁加热装置，安装在所述生长炉炉腔的腔壁外侧，用于对炉腔壁进行加热；所述感应加热装置，安装在所述炉腔壁加热装置的外侧，用于对所述生长炉炉腔进行加热。
进一步的，所述上盖或/和所述下盖中间设有测温窗，所述设有测温窗的上盖或/和所述下盖外安装有所述红外测温仪，用于所述红外测温仪对SiC粉料的生长温度进行测量。
进一步的，所述炉腔壁加热装置的最高加热温度不低于200℃。
进一步的，还包括气体供应装置，与所述进气口连接，用于在生长过程中向炉腔内通入气体。
进一步的，还包括真空泵及压力控制系统，与所述的出气口连接，用于控制生长开始前的抽真空及生长开始后的生长压力控制。
本实用新型的有益效果如下：
针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种半绝缘SiC单晶的生长装置，该装置能够在生长开始前的抽真空过程中，对炉腔壁进行加热，加速炉腔壁吸附氮气的解吸附，使其在生长开始前被排出生长腔，降低生长开始后生长炉炉腔壁的氮气放气率，从而，降低单晶中氮杂质浓度，实现半绝缘SiC单晶的制备。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
其中，1、炉腔壁加热装置，2、生长炉炉腔，3、上盖，4、下盖，5、上盖的测温窗，6、下盖的测温窗，7、进气口，8、出气口，9、感应加热装置，10、红外测温仪，11、籽晶，12、石墨坩埚，13、粉料，14、保温材料。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面结合具体实施例对本实用新型作进一步的详细说明。下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
针对现有技术中存在的上述问题，本实用新型提供了一种半绝缘SiC单晶的生长装置，该装置能够在生长开始前的抽真空过程中，对炉腔壁进行加热，加速炉腔壁吸附氮气的解吸附，使其在生长开始前被排出生长腔，降低生长开始后生长炉炉腔壁的氮气放气率，从而，降低单晶中氮杂质浓度，实现半绝缘SiC单晶的制备。
本实用新型提供了一种半绝缘SiC单晶的生长装置，其特征在于，包括：上盖3、下盖4、生长炉炉腔2、石墨坩埚12、保温材料14、红外测温仪10、炉腔壁加热装置1、感应加热装置9、进气口7和出气口8，其中，所述石墨坩埚，放置在所述生长炉炉腔内部，用于半绝缘SiC单晶的生长；所述保温材料设置在所述生长炉炉腔与所述石墨坩埚之间，用于所述石墨坩埚的保温处理；所述红外测温仪，用于测量SiC粉料的生长温度；所述炉腔壁加热装置，安装在所述生长炉炉腔的腔壁外侧，用于对炉腔壁进行加热；所述感应加热装置，安装在所述炉腔壁加热装置的外侧，用于对所述生长炉炉腔进行加热。由此，该装置能够在生长开始前的抽真空过程中，对炉腔壁进行加热，加速炉腔壁吸附氮气的解吸附，使其在生长开始前被排出生长腔，降低生长开始后生长炉炉腔壁的氮气放气率，从而，降低单晶中氮杂质浓度，实现半绝缘SiC单晶的制备。
根据本实用新型的具体实施例，如图1所示，本实用新型提供的半绝缘SiC单晶的生长装置包括所述红外测温仪，用于测量SiC粉料的生长温度。所述红外测温仪的安装位置不受具体限制，只要能够准确测量SiC粉料的生长温度即可。根据本实用新型具体的一些实施例，当所述上盖中间设有测温窗5时，所述红外测温仪安装在所述设有测温窗的上盖外，用于所述红外测温仪对SiC粉料的生长温度进行测量；当所述下盖中间设有测温窗6时，所述红外测温仪安装在所述设有测温窗的下盖外，用于所述红外测温仪对SiC粉料的生长温度进行测量；当所述上盖和下盖中间均设有测温窗（即上盖的测温窗5和下盖的测温窗6）时，所述红外测温仪安装在所述设有测温窗的上盖和下盖外，用于所述红外测温仪对SiC粉料的生长温度进行测量。
根据本实用新型的具体实施例，如图1所示，所述炉腔壁加热装置，用于对炉腔壁进行加热。根据本实用新型具体的一些实施例，所述炉腔壁加热装置安装在所述生长炉炉腔的腔壁外侧，以便于对所述炉腔壁进行直接加热。进一步的，所述炉腔壁加热装置的最高加热温度不低于200℃。由此，该装置能够在生长开始前的抽真空过程中，对炉腔壁进行加热，加速炉腔壁吸附氮气的解吸附，使其在生长开始前被排出生长腔，降低生长开始后生长炉炉腔壁的氮气放气率，从而，降低单晶中氮杂质浓度，实现半绝缘SiC单晶的制备。
根据本实用新型的具体实施例，还包括气体供应装置和真空泵及压力控制系统。根据本实用新型具体的一些实施例，所述气体供应装置，与所述进气口连接，用于在生长过程中向炉腔内通入气体。进一步的，所述气体供应装置可以为氩气供应装置，用于在生长过程中向炉腔内通入氩气。根据本实用新型具体的一些实施例，所述真空泵及压力控制系统，与所述的出气口连接，用于控制生长开始前的抽真空及生长开始后的生长压力控制。进一步的，所述真空泵及压力控制系统可以为由机械泵、分子泵以及节流阀构成的真空和控压系统，用于控制生长开始前的抽真空及生长开始后的生长压力控制。由此，该装置能够在生长开始前的抽真空及生长开始后的生长压力控制。
本实用新型提供了一种半绝缘SiC单晶的生长装置，其使用过程如下所述：（1）将石墨坩埚12（包含籽晶11以及粉料13）以及石墨保温材料14（优选的，所述石墨保温材料为石墨保温毡14）毡置于生长炉腔中；（2）在SiC粉料生长开始前，开启真空泵及压力控制系统，对炉腔进行抽真空，并开启炉腔壁加热装置对炉腔壁进行加热，加热至250℃，维持20小时；（3）关闭炉腔壁加热装置，开始执行单晶生长工艺，进行高纯半绝缘SiC单晶生长。其中，上述步骤2的过程中，通过炉腔壁加热装置对炉腔壁进行加热，炉腔壁吸附氮气快速解吸附，被真空泵及压力控制系统抽出炉腔，降低了步骤3过程中的生长单晶中氮浓度，有利于半绝缘单晶的制备。由此，该装置能够在生长开始前的抽真空过程中，对炉腔壁进行加热，加速炉腔壁吸附氮气的解吸附，使其在生长开始前被排出生长腔，降低生长开始后生长炉炉腔壁的氮气放气率，从而，降低单晶中氮杂质浓度，实现半绝缘SiC单晶的制备。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (5)
1.一种半绝缘SiC单晶的生长装置，其特征在于，包括：上盖、下盖、生长炉炉腔、石墨坩埚、保温材料、红外测温仪、炉腔壁加热装置、感应加热装置、进气口和出气口，其中，所述石墨坩埚，放置在所述生长炉炉腔内部，用于半绝缘SiC单晶的生长；所述保温材料设置在所述生长炉炉腔与所述石墨坩埚之间，用于所述石墨坩埚的保温处理；所述红外测温仪，用于测量SiC粉料的生长温度；所述炉腔壁加热装置，安装在所述生长炉炉腔的腔壁外侧，用于对炉腔壁进行加热；所述感应加热装置，安装在所述炉腔壁加热装置的外侧，用于对所述生长炉炉腔进行加热。
2.如权利要求1所述的一种半绝缘SiC单晶的生长装置，其特征在于，所述上盖或/和所述下盖中间设有测温窗，所述设有测温窗的上盖或/和所述下盖外安装有所述红外测温仪，用于所述红外测温仪对SiC粉料的生长温度进行测量。
3.如权利要求1所述的一种半绝缘SiC单晶的生长装置，其特征在于，所述炉腔壁加热装置的最高加热温度不低于200℃。
4.如权利要求1所述的一种半绝缘SiC单晶的生长装置，其特征在于，还包括气体供应装置，与所述进气口连接，用于在生长过程中向炉腔内通入气体。
5.如权利要求1所述的一种半绝缘SiC单晶的生长装置，其特征在于，还包括真空泵及压力控制系统，与所述的出气口连接，用于控制生长开始前的抽真空及生长开始后的生长压力控制。
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