一种氧化镓晶体的多腔单晶生长装置
本发明属于晶体生长及装置领域，具体涉及一种氧化镓晶体的多腔单晶生长装置。
背景技术：
1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
2、氧化镓晶体作为新一代超宽禁带透明半导体，受到半导体材料、微电子及光电子器件等领域研究人员的广泛关注。β-ga2o3禁带宽度可达4.8ev，远大于传统半导体材料，使其具有超高击穿场强、超大baliga优值和短的紫外截止边等突出优点，在光电探测、高亮度led、电子电力器件等领域具备较大发展和应用潜力。氧化镓的研究与应用，是目前研究及竞争热门，而高质量单晶及衬底处于半导体产业的前端，是未来整个氧化镓产业的基础，并且氧化镓晶体是宽禁带半导体中唯一可以使用熔体法生长的晶体，生产成本低，可进行大规模生产。
3、目前，氧化镓的主要制备方法有提拉法，导模法及布里奇曼法，但在生长时都有自己的局限性。提拉法目前可生长2英寸柱状晶体，可通过切割横截面得到2英寸的(010)面氧化镓晶圆，但由于导电氧化镓晶体在提拉法生长过程中散热困难，因此提拉法生长导电氧化镓晶体时极易出现螺旋现象，这极大的限制了提拉法生长氧化镓的应用范围；导模法是目前生长晶体尺寸最大的生长方法，已可量产6英寸的片状晶体，同时可以生长导电及绝缘的晶体，但由于导模法生长截面多为(010)面，因此导模法较难生长大尺寸(010)面晶圆；布里奇曼法是近年来迅速发展的一种氧化镓生长方法，目前以可生长6英寸柱状氧化镓，并且根据籽晶的取向不同，可生长大尺寸(010)面导电氧化镓晶体。
4、氧化镓生长过程中原料易受高温分解，分解产生的氧气致使单晶产生大量氧空位，进而造成镶嵌结构、螺旋位错等缺陷，导致晶体质量下降，产生的镓金属与坩埚和其他器件反应形成低熔点合金，导致设备毁坏。为抑制氧化镓原料的分解可使用二氧化碳或氧气作为生长气氛，但是需要使用耐氧化的铂铑合金作为坩埚和加热体的材料，极易在氧化镓晶体中混入铑元素，污染晶体。《50mm diameter sn-doped(001)β-ga2o3 crystalgrowth using the vertical bridgeman technique in ambient air》(journal ofcrystal growth,volume 546,2020,125778,)使用铂铑合金坩埚生长sn掺杂氧化镓时不可避免的掺入了高达28～38wt.ppm的铑杂质。且铂铑合金用量大，价格极其昂贵，大大增加了氧化镓生长成本。现有技术cn114086249a中在氧化镓生长过程中依据温度改变生长气氛，为0℃～1000℃升温过程和降温过程中使用惰性气氛，1000℃～1800℃时将生长气氛为惰性保护气氛和氧化气氛的混合，然而该专利仅考虑了铱金坩埚的氧化挥发问题，并没有考虑需要更多合金用量的加热体，并且生长过程中高浓度的氧化气氛也会造成铱金坩埚的氧化。现有技术cn113445125a中使用带铱金涂层的钨发热体和铱金坩埚，使用co2气氛抑制晶体生长过程中原料分解挥发的同时防止铱金氧化，然而该专利需要使用带有昂贵铱金涂层的发热体，无法有效降低成本，且涂层易损坏，发热体寿命短。
技术实现思路
1、为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种氧化镓晶体的多腔单晶生长装置。本发明通过设置多个密闭腔体，使坩埚及加热器可用不同保护气氛保护，避免了铂铑合金的使用。
2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
3、第一方面，本发明提供了一种氧化镓晶体的多腔单晶生长装置，包括炉体、加热系统和坩埚下降系统，所述炉体由炉顶、炉壳和炉底组成，炉体内部设置内炉管和外炉管将炉体内部由内至外分为内腔、中腔和外腔，所述炉顶开有内腔进气口和中腔进气口；所述加热系统设置于炉体内部，包括隔热板、主加热器和辅助加热器，所述隔热板平行设置于炉体内部，所述主加热器设置于中腔并位于隔热板上方，所述辅助加热器设置于中腔并位于隔热板下方；所述坩埚下降系统贯穿炉底伸入内腔并通过坩埚支座与坩埚连接。
4、本发明通过炉管将炉腔分成内腔、中腔、外腔多个密闭腔体，不同腔体可采用不同的保护气氛，坩埚及坩埚下降系统位于内腔中，主加热器及辅助加热器位于中腔中。由于氧化镓生长需要含氧气氛，坩埚需使用铱金等防氧化材质。与坩埚相比加热器需使用更多的材料，如果使用铱金等贵金属成本巨大；如果使用钨钼石墨等成本较低但不耐氧化的材料，就需要通入惰性气体甚至还原气氛进行保护，此时坩埚和加热器的保护气氛出现矛盾。因此本发明通过多腔结构将坩埚氧化镓与加热器分隔成独立的两部分，两部分分别可以使用不同的保护气氛进行生长，化解了含氧气氛及低成本金属间的矛盾。
5、通过辅助加热器及主加热器独立加热的方式建立合适的温度梯度，有利于形成稳定合适的温场。采用本发明的多腔单晶生长装置，通过准确稳定的温场，有利于提高结晶潜热的释放能力，可有效控制晶体生长的固液界面形状，有效减少氧化镓晶体生长过程中的杂晶出现，同时有利于掺杂离子的均匀分布，并提高氧化镓晶体的结晶质量，有利于生长大尺寸、高质量的氧化镓单晶。
6、优选的，所述加热保温系统还包括上保温屏、下保温屏和保温材料，所述上保温屏连接设置于坩埚两侧，所述下保温屏设置于所述辅助加热器下方，所述保温材料设置于外腔，所述上保温屏和下保温屏的材质为铂、铂铑或铱，所述保温材料的材质为氧化锆。
7、保温屏选用高反射率的铂、铂铑合金、铱金属材料，根据距离坩埚的远近，放置不同熔点的保温屏，有利于调控氧化镓结晶的温度梯度，降低晶体出现缺陷的风险。低热导率的隔热材料氧化锆可以有效的调控氧化镓结晶的热场，降低晶体生长出现位错、孪晶等缺陷，有利于生长大尺寸、高质量氧化镓晶体。
8、优选的，所述主加热器与主加热器控温热偶和主加热器监测电偶相连接，所述辅助加热器与辅助加热器上监测热偶和辅助加热器下监测热偶相连接。
9、通过主加热器控温热偶可精确调控主加热器的加热功率，从而形成更精确适当的温场。
10、优选的，所述坩埚下降系统还包括传动杆和传动电机，所述传动杆的上端与所述坩埚支座连接，所述传动杆的下端与所述传动电机连接，所述传动电机位于炉体外侧，所述坩埚支座的材质为氧化锆。
11、氧化锆坩埚支座熔点较高且热导率低，可以起到较好的隔热保温作用，坩埚内籽晶在氧化锆支座内部，可起到保护籽晶防止籽晶熔化的效果。
12、优选的，所述炉顶、炉壳和炉底均为双层结构，中间夹层均通冷却水，材质均为不锈钢，所述内炉管和外炉管的材质均为透明蓝宝石。炉顶、炉壳和炉底的单层厚度可设置为4～8mm，内炉管和外炉管的厚度可设置为3～8mm。
13、优选的，所述坩埚的材质为铱金。坩埚厚度可设置为0.1～0.2mm，尺寸视实验而定，通常为4英寸以上。
14、优选的，所述主加热器和辅助加热器的材质均为硅化钼，石墨或钨。主加热器厚度为3～5mm，宽度为30～100mm，环绕整个坩埚。主加热器温度高于氧化镓熔点，为晶体生长提供高温区，通过坩埚下降系统使坩埚高温区内移动，使氧化镓原料逐步熔化。辅助加热器厚度为3～5mm，宽度为100～200mm，为晶体生长提供低温区。辅助加热器温度低于氧化镓熔点，降低氧化镓晶体的热应力，降低晶体生长出现开裂风险。
15、第二方面，本发明提供了一种使用如第一方面所述的氧化镓晶体的多腔单晶生长装置生长氧化镓晶体的方法，包括以下步骤：
16、s1、将籽晶与原料装入坩埚中并将坩埚放置于坩埚支座上，使籽晶顶端露出坩埚支座，将坩埚移至由主加热器和隔热板形成的高温区中，炉体抽真空，在内腔中充入二氧化碳作为保护气氛，在中腔中充入氩气作为保护气氛，升温使籽晶顶部部分及附近的原料熔化并恒温；
17、s2、通过坩埚下降系统下移坩埚，使熔化得到熔体进入隔热板附近的梯度区中结晶，并使重新进入高温区的原料开始缓慢熔化，直至所有原料结晶，晶体生长结束后将主加热器和辅助加热器降温至室温，取出晶体。
18、优选的，步骤s1中，所述原料包括ga2o3、ga2o3与fe2o3的混合物或ga2o3和sno4的混合物，升温时调节主加热器的温度为1740～1780℃，调节辅助加热器的温度为1500～1600℃，恒温时间为10～15h。
19、优选的，步骤s2中，坩埚下移的速度为0.05～0.5mm/h，调节主加热器的温度为1700～1900℃，调节辅助加热器的温度为1400～1700℃，主加热器的降温速率为10～25℃/h，辅助加热器的降温速率为5～10℃/h。
20、上述本发明的一种或多种技术方案取得的有益效果如下：
21、本发明的氧化镓晶体的多腔单晶生长装置中通过炉管将炉腔分成内腔、中腔、外腔多个密闭腔体，不同腔体可采用不同的保护气氛，坩埚及坩埚下降系统位于内腔中，主加热器及辅助加热器位于中腔中，因此可使用非铂铑合金材质坩埚和加热体，避免了铑对氧化镓晶体的污染并降低成本。
22、本发明通过辅助加热器及主加热器独立加热的方式建立合适的温度梯度，形成上部高温区、中部梯度区、下部低温区三个温区，有利于形成稳定合适的温场。主加热器温度高于氧化镓熔点，为晶体生长提供高温区，通过坩埚下降系统使坩埚高温区内移动，使氧化镓原料逐步熔化。辅助加热器为晶体生长提供低温区，温度低于氧化镓熔点，降低氧化镓晶体的热应力，降低晶体生长出现开裂风险。
技术特征：
1.一种氧化镓晶体的多腔单晶生长装置，其特征在于，包括炉体、加热系统和坩埚下降系统，所述炉体由炉顶、炉壳和炉底组成，炉体内部设置内炉管和外炉管将炉体内部由内至外分为内腔、中腔和外腔，所述炉顶开有内腔进气口和中腔进气口；所述加热系统设置于炉体内部，包括隔热板、主加热器和辅助加热器，所述隔热板平行设置于炉体内部，所述主加热器设置于中腔并位于隔热板上方，所述辅助加热器设置于中腔并位于隔热板下方；所述坩埚下降系统贯穿炉底伸入内腔并通过坩埚支座与坩埚连接。
2.如权利要求1所述的氧化镓晶体的多腔单晶生长装置，其特征在于，所述加热保温系统还包括上保温屏、下保温屏和保温材料，所述上保温屏连接设置于坩埚两侧，所述下保温屏设置于所述辅助加热器下方，所述保温材料设置于外腔，所述上保温屏和下保温屏的材质为铂、铂铑或铱，所述保温材料的材质为氧化锆。
3.如权利要求1所述的氧化镓晶体的多腔单晶生长装置，其特征在于，所述主加热器与主加热器控温热偶和主加热器监测电偶相连接，所述辅助加热器与辅助加热器上监测热偶和辅助加热器下监测热偶相连接。
4.如权利要求1所述的氧化镓晶体的多腔单晶生长装置，其特征在于，所述坩埚下降系统还包括传动杆和传动电机，所述传动杆的上端与所述坩埚支座连接，所述传动杆的下端与所述传动电机连接，所述传动电机位于炉体外侧，所述坩埚支座的材质为氧化锆。
5.如权利要求1所述的氧化镓晶体的多腔单晶生长装置，其特征在于，所述炉顶、炉壳和炉底均为双层结构，中间夹层均通冷却水，材质均为不锈钢，所述内炉管和外炉管的材质均为透明蓝宝石。
6.如权利要求1所述的氧化镓晶体的多腔单晶生长装置，其特征在于，所述坩埚的材质为铱金。
7.如权利要求1所述的氧化镓晶体的多腔单晶生长装置，其特征在于，所述主加热器和辅助加热器的材质均为硅化钼，石墨或钨。
8.一种使用如权利要求1-7任一项所述的氧化镓晶体的多腔单晶生长装置生长氧化镓晶体的方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤s1中，所述原料包括ga2o3、ga2o3与fe2o3的混合物或ga2o3和sno4的混合物，升温时调节主加热器的温度为1740～1780℃，调节辅助加热器的温度为1500～1600℃，恒温时间为10～15h。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，步骤s2中，坩埚下移的速度为0.05～0.5mm/h，调节主加热器的温度为1700～1900℃，调节辅助加热器的温度为1400～1700℃，主加热器的降温速率为10～25℃/h，辅助加热器的降温速率为5～10℃/h。
技术总结
本发明属于晶体生长及装置领域，具体涉及一种氧化镓晶体的多腔单晶生长装置。氧化镓晶体的多腔单晶生长装置，包括炉体、加热系统和坩埚下降系统，炉体由炉顶、炉壳和炉底组成，炉体内部设置内炉管和外炉管将炉体内部由内至外分为内腔、中腔和外腔，炉顶开有内腔进气口和中腔进气口；加热系统设置于炉体内部，包括隔热板、主加热器和辅助加热器，隔热板平行设置于炉体内部，主加热器设置于中腔并位于隔热板上方，辅助加热器设置于中腔并位于隔热板下方；坩埚下降系统贯穿炉底伸入内腔并通过坩埚支座与坩埚连接。通过设置多个密闭腔体，使坩埚及加热器可用不同保护气氛保护，避免了铂铑合金的使用，并降低了晶体的生产成本。
技术研发人员：穆文祥,陶绪堂
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23