专利名称：砷化镓晶体生长用热场装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种LEC法砷化镓单晶生长的热场装置。
技术背景砷化镓(GaAs)是一种重要的III - V族化合物半导体材料，于1964年进入实 用阶段。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料，用 来制作集成电路衬底、红外探测器、Y光子探测器等。由于其电子迁移率比硅大5-6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导 体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。此外，还可 以用于制作转移器件一体效应器件。砷化镓是半导体材料中，兼具多方面优点的材 料，但用它制作的晶体三极管的放大倍数小，导热性差，不适宜制作大功率器件。 虽然砷化镓具有优越的性能，但由于它在高温下分解，故要生长理想化学配比的高 纯的单晶材料，技术上要求比较高。这是因为砷化镓不但在其熔点下有较高的分解 压，致使其组分很难控制，而且镓在高温高压下的化学性质活泼，污染十分严重。 这些因素导致砷化镓单晶生长速度緩慢，材料机械强度低，位错密度大，热应力大 和完整性差。目前生长砷化镓单晶的主要方法有液封直拉法(LEC),水平布里奇曼 法(HB)，垂直布里奇曼法(VB),垂直梯度凝固法(VGF)和蒸汽压控制直拉法 (VCZ)等。液封直拉法(LEC)是生长半绝缘砷化镓单晶使用最广泛的方法。该工艺的主 要优点是晶体是"自由"生长的，可以得到圓柱形晶体，8203对杂质有一定的的吸 附作用，C含量可控等。液封直拉法的主要问题是Ga， As容易穿过B2CM员失， 化学计量控制困难；温度场是高度非线性的，温度梯度达100K/cm~ 150K/cm,晶 体中位错密度高达(0.5~ 1 ) xl05cm-2且分布不均匀。熔体中存在不稳定对流，气 相中的紊流都影响晶体的均匀性和应力分布等。晶体生长的热场装置是直拉法单晶生长的炉的重要组成部分，它提供了晶体生 长的热场环境。发展到目前，生产砷化镓所使用的热场装置结构复杂，熔体界面上下温度场及温度梯度不稳定，生长速度緩慢，生产出来的晶体位错密度、热应力等 技术参数仍然达不到当今工业发展的要求。发明内容本实用新型的目的是提供一种砷化镓晶体生长用热场装置，以解决现有技术存 在的温度场不稳定，生长出来的砷化镓晶体位错密度高，生长速度緩慢的的问题。本实用新型的技术方案是包括坩埚加热器和保温装置，在加热器的外围设置 保温装置，在坩埚口部上方装有观测棒，其特征在于所述的加热器包括底部加热 器、下加热器、上加热器和顶加热器，所述的底部加热器为盘状，装于坩埚底部； 所述的下加热器和上部加热器均为圆筒状，分别装于坩埚下部和上部的周围；所述 的后加热器为直径小于所述的坩埚的筒状，装于坩埚的顶部上方；在所述的底部加 热器、下加热器、上加热器和顶加热器旁分别装有温度传感器。本实用新型的有益效果是能够提供相对稳定的生长砷化镓晶体所需要的温度 场，具有适当的温度梯度，特别设置的顶加热器装置可以对生长出的砷化镓单晶直 接进行高温退火。结构简单，方便宜行，l喿作容易。能够^^艮容易的快速生长出大直 径(100mm~ 150mm)、低位错密度的砷化镓单晶。
图l是本实用新型的剖视结构示意图。附图标记说明1、底部加热器，2、下加热器，3、上加热器，4、顶加热器， 5、籽晶夹头，6、坩埚杆，7、下内保温筒，8、顶加热器保温筒，9、热屏，10、 密封器，11、石墨坩埚，12、热解氮化硼坩埚，13、下外保温筒，14、底部隔热板， 15、观测棒，16、上保温盖，17、上保温筒，18、保温大盖，19~22、测温热偶。
具体实施方式
参见图1,本实用新型包括坩埚12、加热器和保温装置，在加热器的外围设置 保温装置，在坩祸12 口部上方装有观测棒15。所述的加热器包括底部加热器1、下加热器2、上加热器3和顶加热器4，所述 的底部加热器1为盘状，装于坩埚底部；所述的下加热器2和上部加热器3均为圓 筒状，分别装于坩埚12下部和上部的周围；所述的后加热器4为直径小于所述的 坩埚12的筒状，装于坩埚12的顶部上方；在所述的底部加热器1、下加热器2、上加热器3和顶加热器4旁分别装有测温热偶19 ~ 22作为温度传感器。
所述的保温装置的结构包括围绕于所述的下加热器2和上加热器3周围的下 内保温筒7和下外保温筒13，该下内保温筒7与下外保温筒13内外重叠设置；围 绕于所述的顶加热器4周围的顶加热器保温筒8和上保温筒17，该上保温筒17的 底端与所述的下外保温筒13的上端相对应连接，该顶加热器保温筒8同轴置于所 述的上保温筒17内，两者之间留有间隔；在所述的底部加热器1的下面设有底部 隔热板14 (由一层三高石墨内夹石墨碳毡构成)；在所述的坩埚12的上端口装有圓 锥形的热屏9 (大口径向上)，在该热屏9的上端外侧与坩埚12的上端口之间装有 圓筒形的密封器10,在所述的坩埚12的上端口外沿与下外保温筒13的上端之间装 有圓盘形的保温大盖18;在所述的上保温筒17的顶端装有上保温盖16,所述的加 热器4和顶部保温筒8均固定在该保温盖16上。 所述的热屏9由热解氮化硼材料制成。
所述的底部加热器1、下加热器2、上加热器3和顶加热器4均由高密度、高 硬度和高纯度(简称"三高，，)的石墨材料制成。
所述的坩埚12由热解氮化硼制成，在该坩埚12的下部外侧设有与其吻合的石 墨坩埚11。在石墨坩埚11的底端装有坩埚杆6，坩埚杆6由外部的直流电机控制， 可以旋转。
所述的下外保温筒13和下内保温筒7均由外层的柔性石墨纸和包裹在该柔性 石墨纸内的石墨碳毡构成。
上述结构形成了一个封闭的热场装置，能够为砷化镓的生长提供一个良好的热 场环境。本实用新型以四个加热器控制并调节热区(熔融和生长单晶的区域)中的 热分布，这样可以控制热梯度并优化球体长度。每个加热器可分别通过程序控制器 由计算机进行程控，系具有多种目的操作系统，处理器以68040 Motorola为基础。 应用控制程序采用BASIC语言编写，有经过C语言改写。通过3EUROTHERM程 序控制器对每个加热器的PID功能进行控制，并对温度进行编程和控制，对不同的 加热器均提供直流电底部加热器1,用于坩埚底部；下加热器2为主加热器；上 部加热器3用于控制热的低梯度；后加热器4与容器顶部连接，用于晶体生长后的 退火。
权利要求1、一种砷化镓晶体生长用热场装置，包括坩埚(12)加热器和保温装置，在加热器的外围设置保温装置，在坩埚(12)口部上方装有观测棒(15)，其特征在于所述的加热器包括底部加热器(1)、下加热器(2)、上加热器(3)和顶加热器(4)，所述的底部加热器(1)为盘状，装于坩埚底部；所述的下加热器(2)和上部加热器(3)均为圆筒状，分别装于坩埚下部和上部的周围；所述的后加热器(4)为直径小于所述的坩埚的筒状，装于坩埚的顶部上方；在所述的底部加热器(1)、下加热器(2)、上加热器(3)和顶加热器(4)旁分别装有温度传感器。
2、 根据权利要求1所述的砷化镓晶体生长用热场装置，其特征在于所述的 保温装置包括围绕于所述的下加热器(2 )和上加热器(3 )周围的下内保温筒(7 ) 和下外保温筒(13),该下内保温筒(7)与下外保温筒(13)内外重叠设置；围绕 于所述的顶加热器(4)周围的顶加热器保温筒(8)和上保温筒(17),该上保温 筒(17)的底端与所述的下外保温筒(13)的上端相对应连接，该顶加热器保温筒(8)同轴置于所述的上保温筒(17)内，两者之间留有间隔；在所述的底部加热 器(1)的下面设有底部隔热板(14);在所述的坩埚(12)的上端口装有圓锥形的 热屏(9),在该热屏(9)的上端外侧与坩埚(12)的上端口之间装有圓筒形的密 封器(10),在所述的坩埚(12)的上端口外沿与下外保温筒(13)的上端之间装 有圓盘形的保温大盖(18);在所述的上保温筒(17)的顶端装有上保温盖(16), 所述的加热器(4)和顶部保温筒(8)均固定在该保温盖(16)上。
3、 根据权利要求2所述的砷化镓晶体生长用热场装置，其特征在于所述的 热屏(9)由热解氮化硼材料制成。
4、 根据权利要求1或2所述的砷化镓晶体生长用热场装置，其特征在于所 述的底部加热器(l)、下加热器(2)、上加热器(3)和顶加热器(4)均由高密度、 高硬度和高纯度的石墨材料制成。
5、 根据权利要求1所述的砷化镓晶体生长用热场装置，其特征在于所述的 坩埚(12)由热解氮化硼制成，在该坩埚(12)的下部外侧设有与其吻合的石墨坩 埚(11)。
6、 根据权利要求1所述的砷化镓晶体生长用热场装置，其特征在于所述的 下外保温筒(13)和下内保温筒(7)均由外层的柔性石墨紙和包裹在该柔性石墨 纸内的石墨碳毡构成。
专利摘要一种砷化镓晶体生长用热场装置，包括坩埚加热器和保温装置，在加热器的外围设置保温装置，在坩埚口部上方装有观测棒，所述的加热器包括底部加热器、下加热器、上加热器和顶加热器，所述的底部加热器为盘状，装于坩埚底部；所述的下加热器和上部加热器均为圆筒状，分别装于坩埚下部和上部的周围；所述的后加热器为直径小于所述的坩埚的筒状，装于坩埚的顶部上方。其优点是能够提供相对稳定的生长砷化镓晶体所需要的温度场，具有适当的温度梯度，特别设置的顶加热器装置可以对生长出的砷化镓单晶直接进行高温退火。结构简单，方便宜行，操作容易。能够很容易的快速生长出大直径(100mm～150mm)、低位错密度的砷化镓单晶。
文档编号C30B15/14GK201158722SQ20082000440
公开日2008年12月3日 申请日期2008年1月30日 优先权日2008年1月30日
发明者孙士臻, 张洪宝, 贾宝申 申请人:大庆佳昌科技有限公司