一种大尺寸氧化镓单晶的生长设备及方法与流程

本发明涉及一种氧化镓单晶的生长方法及生长装置，具体说，是涉及一种大尺寸、高质量、氧化镓单晶的生长方法及生长装置，属于晶体生长技术领域。

背景技术：

β-氧化镓(β-ga2o3)单晶是一种新型宽禁带氧化物半导体材料，可用作高功率元件，具有较高的击穿电压和较大的电流密度，而且还可用于led芯片，各种传感器元件及摄像元件等。其中，β-ga2o3单晶作为gan的衬底材料是最被看好的用途，它结合了碳化硅的导电性和蓝宝石的透光性，并且(100)晶面经过表面氮化重构后与gan晶格零失配。β-ga2o3具有以下优势：(1)具有导电性，利于器件的小型化、集成化，适合需大驱动电流的高功率led；(2)截止吸收边波长短，可见、紫外光波段透过率达80％以上，易于将led芯片发出的光提取到外部；(3)(100)晶面与gan晶格失配小，经表面氮化重构可实现完全匹配；(4)化学性能稳定，耐强酸、强碱，机械强度高。

因此，β-ga2o3单晶被视为是一种可替代蓝宝石和碳化硅的理想gan衬底材料。

β-ga2o3单晶是一种新型透明导电衬底材料，市场应用潜力巨大。由于其熔点较高(1850℃)，具有解理特性，熔体法生长过程中易分解和挥发，因此生长大尺寸(1英寸及以上)、高质量的β-ga2o3单晶非常困难。目前β-ga2o3单晶已经通过浮区法(fz)、提拉法(cz)和导模法生长获得，浮区法制备β-ga2o3单晶，晶体尺寸较小，无法满足衬底基片的要求，德国莱布尼兹研究所用提拉法生成功生长了β-ga2o3晶体，但是生长时需要采用高压(7bar)、大大提高了设备对于耐高压的要求，这对于今后的产业化中设备成本的控制，以及安全性的控制都极为不利。而且晶体生长过程中存在着生长不稳定，容易出现螺旋生长等问题。只有导模法生长的β-ga2o3单晶片进入了商业应用，中国专利cn201310559528.8公开了一种大尺寸氧化镓单晶的生长方法及生长装置，该方法包括：在单晶炉内安装用于加热和保温形成热场的多个热场部件，其水平同中心安装；将内嵌有铱金模具的带盖铱金坩埚放入热场中心；将特定取向的β-ga2o3籽晶固定于籽晶夹具；将氧化镓原料放入铱金坩埚内，盖好铱金坩埚盖；抽真空后按混合气比例ar:co2＝9:1～8:2充至炉腔压强为1.05～1.5mpa；感应加热使氧化镓原料完全融化；烤籽晶5～10分钟后接种；待籽晶与熔体充分熔接后引晶缩颈，直至籽晶截面尺寸缩小至1～2mm；扩肩生长阶段；等径生长阶段；晶体生长结束完全脱离模具顶端时停止提拉，缓慢降至室温，获得透明完整无晶界的高质量片状氧化镓单晶。这正是采用导模法进行生长的，而导模法的劣势十分明显：导模法模具一般高于坩埚内的液面，模具顶部达到长晶温度时，坩埚内熔体温度一般会高于熔点几十度，这加剧了熔体的分解和挥发；导模法长晶需要通过观察窗观察长晶情况，而观察窗经常会被挥发物遮住而失去作用，导模法生长的β-ga2o3单晶，普遍存在气泡、生长条纹、解理开裂、多晶等问题，严重影响晶体质量。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种大尺寸氧化镓单晶的生长设备及方法。用热交换法长晶，晶体的形状由坩埚的形状决定，有效提高氧化镓晶体制备效率，降低生产成本；同时，生长出的晶体质量优异、应力小、位错密度低、晶体完整性和光学均匀性好、可以提高氧化镓材料的利用率、简化加工程序。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种大尺寸氧化镓单晶的生长设备，其特征在于，包括氧化锆保温砖、石英筒、水冷铜电极、铱金坩埚、热交换器、红外测温仪，所述的铱金坩埚置于氧化锆保温砖形成的晶体生长炉炉腔内，氧化锆保温砖外侧依次设有石英筒和水冷铜电极，所述的热交换器置于铱金坩埚底部，所述的红外测温仪连接铱金坩埚，铱金坩埚内装有氧化镓溶液和籽晶。

所述的铱金坩埚内部底部设有凹槽，用于装籽晶；所述铱金坩埚具有顶部开孔的坩埚盖。

所述的铱金坩埚内壁从上到下呈缩口状，其内壁截面呈倒梯形。

所述的铱金坩埚内壁与水平面夹角a：30度<a<90度。

所述的设备的加热方式为感应加热；电源频率为2.5-20khz。

所述的铱金坩埚侧壁设有红外测温点，该红外测温点连接红外测温仪，用于监控坩埚化料和长晶时的温度。

所述的热交换器通氦气对埚底籽晶冷却。

采用设备进行大尺寸氧化镓单晶生长的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤s1：将设定重量的氧化镓原料装入铱金坩埚中，并在铱金坩埚底部凹槽装上籽晶；

步骤s2：将晶体生长炉抽真空，真空度为小于等于10pa；

步骤s3：通过加热器控制晶体生长炉升温至1855～1860℃，使氧化镓原料熔化为熔体，铱金坩埚底部的籽晶由于有持续通入的氦气冷却，并不会熔化或是只部分熔化；

步骤s4：通过降低加热功率或加大氦气流量的使熔体在籽晶表面结晶，直到铱金坩埚内的熔体全部结晶，此时晶体长成了坩埚的形状，直径尺寸和坩埚内径相同；

步骤s5：进行晶体的退火处理，退火温度1000～1200℃，退火时间72～200h；

步骤s6：以10～60℃/h的速度缓慢降温；

步骤s7：炉内温度降至室温后，取出晶体，加工。

本发明是一种生长大尺寸单晶氧化镓的方法和设备，选择耐高温、并且感应发热效率高的铱金作为坩埚，通过对坩埚形状进行锥角结构设计，确保长出的晶体能很方便的取出而不损坏坩埚，坩埚内底部开槽用来装一定晶向籽晶，在坩埚外底部设有热交换器，热交换器通氦气对坩埚底部籽晶冷却，防止籽晶熔化，并带走结晶潜热，使熔体在籽晶表面继续生长，伴随着加热功率的下降，晶体也从小长到和坩埚内径一样大，直到坩埚内熔体全部结晶，整个长晶过程结束。所生长的晶棒满足led行业的使用要求，本发明生长方法称之为热交换法，是通过持续通入的氦气带走坩埚底部的热量，使氧化镓熔体在籽晶表面不断冷却结晶的方法。

与现有技术相比，本发明具有以下优势：长晶温度接近熔点，没有导模法高过热温度的问题，原料完全密封在有盖子的坩埚内---提拉法坩埚是没有盖子的，这些都能最大程度上减少熔体的挥发和分解；坩埚的形状就是晶体的形状，不需要直径控制的环节，长晶过程可以实现全自动化，节省人力。此外热交换法本身就具有如下的优势。

1)温度梯度分布与重力场相反，坩埚、晶体和热交换器皆不移动，晶体生长界面稳定、无机械扰动、浮力对流小，消除了由于机械运动而造成的晶体缺陷；

2)晶体生长后仍保持在热区，控制氦气流量可使温度由结晶温度缓慢均匀降低，实现原位退火，减少晶体的热应力及由此产生的晶体开裂和位错等缺陷；

3)固液界面处在熔体包裹中，热扰动在到达固液界面之前可以被减小乃至排除，界面上可获得均匀的温度梯度；

综上，用热交换法生长氧化镓晶体极有希望获得大尺寸、高质量氧化镓单晶。

附图说明

图1为本发明设备的结构示意图；

图2为铱金坩埚的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，一种大尺寸氧化镓单晶的生长设备，包括氧化锆保温砖1、石英筒2、水冷铜电极3、铱金坩埚4、热交换器6、红外测温仪7，所述的铱金坩埚4置于氧化锆保温砖1形成的晶体生长炉炉腔内，氧化锆保温砖1外侧依次设有石英筒2和水冷铜电极3，所述的热交换器6置于铱金坩埚4底部，所述的红外测温仪7连接铱金坩埚4，铱金坩埚4内装有氧化镓溶液8和籽晶5。所述的铱金坩埚4侧壁设有红外测温点，该红外测温点连接红外测温仪7，用于监控坩埚化料和长晶时的温度。所述的热交换器6通氦气对埚底籽晶冷却。

其中，所述的铱金坩埚4内部底部设有凹槽(如图2所示)，用于装籽晶5；所述铱金坩埚4具有顶部开孔的坩埚盖。所述的铱金坩埚4内壁从上到下呈缩口状，其内壁截面呈倒梯形。所述的铱金坩埚4内壁与水平面夹角a：80度。

所述的设备的加热方式为感应加热；电源频率为2.5khz。

采用上述设备进行大尺寸氧化镓单晶生长的方法，包括如下步骤：

步骤s1：将设定重量的氧化镓原料装入铱金坩埚4中，并在铱金坩埚4底部凹槽装上籽晶5；

步骤s2：将晶体生长炉抽真空，真空度为小于等于10pa；

步骤s3：通过加热器控制晶体生长炉升温至1855～1860℃，使氧化镓原料熔化为熔体，铱金坩埚4底部的籽晶5由于有持续通入的氦气冷却，并不会熔化或是只部分熔化；

步骤s4：通过降低加热功率或加大氦气流量的使熔体在籽晶5表面结晶，直到铱金坩埚4内的熔体全部结晶，此时晶体长成了坩埚的形状，直径尺寸和坩埚内径相同；如图2所示，控制晶体生长炉的炉内温度，可以在籽晶5表面形成生长界面ⅰ51，生长界面ⅱ52，生长界面ⅲ53。

步骤s5：进行晶体的退火处理，退火温度1000～1200℃，退火时间72～100h；

步骤s6：以10～60℃/h的速度缓慢降温；

步骤s7：炉内温度降至室温后，取出晶体，加工。

采用上述设备和方法获得了高质量的两英寸氧化镓衬底。

实施例2

所述的铱金坩埚内壁与水平面夹角a：30度<a<90度。可以根据最终产品的需要设计。

所述的设备的加热方式为感应加热；电源频率为20khz。

其中，进行晶体的退火处理，退火时间可以根据实际情况选择其他时间如50h、200h等。

其余同实施例1。