一种导模法大尺寸氧化镓单晶生长装置的热场结构的制作方法

本发明涉及一种导模法氧化镓单晶生长装置，特别涉及一种导模法大尺寸氧化镓单晶生长装置的热场结构。

背景技术：

β-ga2o3是一种具有直接带隙的宽禁带氧化物半导体材料，其禁带宽度为4.8ev，不仅在可见光到深紫外区具有透过性，而且还具有半导体特性。其深紫外区域的透过率可达80%左右，且具有良好的化学稳定性和热稳定性，可广泛应用于微电子和光电子器件领域。与sic和gan相比，采用β-ga2o3材料可制造出耐压更高且损失更低的功率半导体器件，此外，β-ga2o3还可用于紫外探测技术、高功率led芯片、各种传感器元件及摄像元件等，具有广泛的应用前景。然而，氧化镓由于熔点较高（1740-1820℃）、易分解、导热差以及晶体生长过程中容易产生孪晶、开裂和多晶现象，导致2英寸β-ga2o3单晶生长都极为困难，传统的单晶生长设备已经不能实现大尺寸晶体的生长。因此，对氧化镓晶体生长热场提出了更高的要求，需要耐氧化和耐高温坩埚，良好的保温结构以及炉体轴向和径向存在较小的温度梯度等。目前，国际上公开报道的氧化镓单晶尺寸为4-6英寸，目前，国内主要采用浮区法以及导模法制备氧化镓晶体，制备的晶体尺寸较小，不能够满足器件对大尺寸单晶衬底的需求。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种导模法大尺寸氧化镓单晶生长装置的热场结构，使该装置不仅具有耐高温、耐氧化的特点，并且炉体热场分布均匀且具有较小的轴向和径向温度梯度，从而能够很好地避免晶体开裂、解理和多晶现象产生，具体技术方案是，一种导模法大尺寸氧化镓单晶生长装置的热场结构，由上保温结构、铱反射屏、铱坩埚盖、铱发热体、铱坩埚、铱模具、感应加热线圈、下保温结构、热电偶、氧化锆垫片组成，其特征在于：所述的铱坩埚为圆形坩埚，所述的坩埚盖有与铱模具截面尺寸相同的开孔，所述的铱模具上表面形状为矩形，其上表面形状限定了晶体生长的形状，所述的铱反射屏为中心开长方形孔的圆片形，外径与铱发热体外径相同，所述的铱发热体为圆筒状，所述的上保温结构与下保温结构均为桶状体，铱坩埚内中心处嵌有铱模具，并通过氧化锆垫片同心置于下保温结构的内端面上，铱坩埚盖盖于铱坩埚上，铱模具伸入坩埚盖的开孔内，铱发热体同心套在铱坩埚外面，间距2-5mm并置于下保温结构的内端面上，铱发热体上端面与下保温结构上端面等高，铱反射屏安装于铱发热体上端面，上保温结构顶端中心有一通孔为籽晶杆入口、侧面有一斜通孔为视孔，上保温结构与下保温结构对接在一起，热电偶从下保温结构的底端插入下保温结构的腔内的铱坩埚底部，感应加热线圈环绕于下保温结构外侧。

所述热场结构全部部件材料纯度为99.7%以上。

本发明的有益效果是，热场耐高温、抗氧化，坩埚内温度分布均匀，避免晶体的开裂，可获得高质量的大尺寸β-ga2o3单晶，技术水平处于国内领先地位。

附图说明

图1是本发明的结构剖面示意图；

图2是本发明实施例制备的掺si2英寸β-ga2o3单晶图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

实施例以导模法制备掺si2英寸β-ga2o3单晶生长装置的热场结构为例。

如图1、2所示，热场结构包括上保温结构2、铱反射屏4、铱坩埚盖5、铱发热体6、铱坩埚7、铱模具8、感应加热线圈10、下保温结构11、热电偶12、氧化锆垫片13，其中，铱坩埚7为圆形，外径φ64mm，壁厚3mm，高度30mm，通过氧化锆垫片13同心置于下保温结构11的内端面上；铱模具8横截面限定了生长的晶体的形状，铱模具8为上表面形状长度51mm，宽度4mm，高度30mm的长方体，为了限定晶体形状，铱坩埚7内中心处嵌有铱模具8，同时，可以减小铱坩埚7内轴向温度梯度，保证铱模具8附近温度分布均匀，有利于获得高质量的2英寸β-ga2o3单晶；为了实现铱模具8顶部周围温场均匀，在铱坩埚7上端面加盖铱坩埚盖5，铱坩埚盖5外径φ64mm，厚度4mm，中心开一长方形通孔，孔长度55mm，宽度8mm，铱模具8穿入坩埚盖5通孔内；铱发热体6为圆筒状，外径70mm，壁厚5mm，高度70mm，铱发热体6同心套在铱坩埚7外面，间距5mm，从而实现较小的径向温度梯度；为了减小炉体轴向温度梯度，抑制晶体生长过程中出现开裂、解理和多晶现象，在铱发热体6上端面安装中心开长方形孔的圆形铱反射屏4，铱反射屏4为直径70mm，厚度4mm，中心长方形孔长度56mm，宽度30mm；上保温结构2、下保温结构11均由氧化锆纤维板制成的桶状保温体，为了便于实时观测晶体生长情况，在上保温结构2顶端中心有一通孔为籽晶杆入口1、侧面有一视孔3，孔的形状不限，视孔3的方向与水平方向成45度角，以获得最佳观测角度，上保温结构2与下保温结构11对接固定；为了监测晶体生长温度，热电偶12从下保温结构11的底端插入下保温结构11的腔内的铱坩埚7底部；感应加热线圈10环绕于下保温结构11外侧；上述铱坩埚7，铱反射屏4、铱发热体6、铱模具8、坩埚盖5的金属铱纯度优选99.95%。

本发明具有以下优点：本热场结构完全不同于国内外报道的关于氧化镓单晶生长的热场结构，并且基于该热场结构，成功制备出2英寸氧化镓单晶，技术水平处于国内领先地位。

a在坩埚外围增加铱发热体，可以减小坩埚的负荷，获得较小的径向温度梯度，从而避免晶体的开裂。

b在发热体上方放置中心开有长方形孔的铱反射屏，可以减小炉体轴向温度梯度，同时保证模具附近温度分布较为均匀，有利于获得高质量的2英寸β-ga2o3单晶。

c整套热场系统的材料选择能够保证在高温、氧化气氛下进行2英寸β-ga2o3单晶生长。

d铱坩埚内中心处嵌有铱模具，铱模具上表面形状限定了晶体生长的形状。

技术特征：

技术总结
本发明涉及一种导模法大尺寸氧化镓单晶生长装置的热场结构，由上保温结构、铱反射屏、铱坩埚盖、铱发热体、铱坩埚、铱模具、感应加热线圈、下保温结构、热电偶、氧化锆垫片组成，铱坩埚内中心处嵌有铱模具，铱模具横截面限定了生长的晶体的形状，在铱坩埚外围增加铱发热体，可以减小坩埚的负荷，获得较小的径向温度梯度，从而避免晶体的开裂，在发热体上方放置中心开有长方形孔的铱反射屏，可以减小炉体轴向温度梯度，同时保证模具附近温度分布较为均匀，有利于获得高质量的β‑Ga2O3单晶，整套热场系统的材料选择能够保证在高温、氧化气氛下进行大尺寸β‑Ga2O3单晶生长，技术水平处于国内领先地位。

技术研发人员：练小正;张胜男;程红娟;徐永宽;齐海涛;张颖武
受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第四十六研究所
技术研发日：2017.10.30
技术公布日：2018.01.19