一种微下拉区熔法生长片状氧化镓晶体的方法与生长装置

1.本发明属于晶体生长技术领域，涉及一种微下拉区熔法生长片状氧化镓晶体的方法与生长装置。


背景技术：

2.作为新一代超宽禁带半导体材料，氧化镓晶体具有禁带宽度大(4.8-4.9ev)，理论击穿场强仅次于金刚石(8mv/cm)，能够通过熔体法生长体单晶等显著优势。以氧化镓材料制作的功率器件，相较于碳化硅和氮化镓制作的产品，其击穿电压和功率转换效率更高、耐热性更强、应用范围更广。因此氧化镓材料和器件已成为近年来半导体行业的研究热点。
3.目前氧化镓晶体的主要生长方法有导模法、提拉法和坩埚下降法，其中导模法技术已由日本novel crystal technology公司实现批量生产。与碳化硅、氮化镓材料采用气相法生长相比，氧化镓晶体采用熔体法生长具有低成本优势。但氧化镓晶体生长所使用的是铱金或铂铑合金的贵金属坩埚，长晶原料在坩埚内一次性全部熔化，随着氧化镓晶体尺寸增大，坩埚内熔体体积增加，所需坩埚尺寸不断扩大，导致贵金属消耗较大。特别是近年来贵金属的市场价格快速上涨，氧化镓晶体的生长成本难以降低。
4.微下拉法是单晶光纤制备以及新材料探索最有效的方法之一，采用感应加热或电阻加热的方式使原料在坩埚内一次性全部熔化，待下种过程完成后向下拉动籽晶杆进行晶体生长。该方法通常用来生长小尺寸、异型晶体，生长的单晶光纤直径为200-3000μm，仅需数克原料就可完成厘米级长度单晶光纤生长。氧化镓具有热分解挥发特性，目前片状氧化镓晶体是采用导模法来制备，尚未见采用微下拉法生长的报道，其难点在于如何设计坩埚嘴的结构尺寸和热场温度分布以保证氧化镓晶体持续稳定生长。


技术实现要素：

5.本发明的目的就是提供一种微下拉区熔法生长片状氧化镓晶体的方法与生长装置。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
7.一种微下拉区熔法生长片状氧化镓晶体的方法，包括以下步骤：
8.s1：在感应热场中，由上至下依次设置氧化镓原料棒、感应坩埚、籽晶杆；其中所述的感应坩埚底部开设有坩埚嘴，所述的籽晶杆顶端设有氧化镓籽晶；
9.s2：炉内抽真空后充入微正压流动生长气氛，通过电磁感应加热方式加热感应坩埚中的氧化镓原料棒，至其下端在坩埚内局部区域熔化成氧化镓熔体，并有氧化镓熔体从坩埚嘴流出；
10.s3：缓慢上升籽晶杆，使氧化镓籽晶顶部与坩埚嘴处悬挂的熔体接触，微调加热功率使熔体与籽晶充分熔接形成稳定熔区；
11.s4：下拉籽晶杆进行等径生长，得到片状氧化镓晶体，同时下移氧化镓原料棒补充坩埚内的氧化镓熔体，维持晶体持续稳定生长；
12.s5：当氧化镓晶体生长到设定长度后，将氧化镓晶体收尾拉脱，同时向上提拉原料棒脱离熔体，冷却后得到氧化镓晶体产品。
13.进一步地，当所述的感应坩埚和后热器的材质为铱金时，所述的流动生长气氛为混合气体或二氧化碳；
14.当所述的感应坩埚和后热器的材质为铂铑合金时，所述的流动生长气氛为混合气体、氧气、空气或二氧化碳中的一种；
15.所述的混合气体为氩气、氦气或氮气，与氧气或二氧化碳组成的二元混合气体；
16.所述的生长气氛的流动方向为自下向上，流速为0.3-3l/min。
17.进一步地，所述的等径生长速率为3-15mm/h，所述的氧化镓原料棒的下移速度为1-10mm/h。
18.进一步地，所述的氧化镓原料棒长度大于感应坩埚深度。
19.一种微下拉区熔法生长片状氧化镓晶体的生长装置，包括感应热场、设于感应热场内的感应坩埚、悬挂于感应坩埚上方且竖直移动的氧化镓原料棒，以及竖直移动设于感应坩埚下方且顶端设有氧化镓籽晶的籽晶杆；
20.所述的感应坩埚底部开设有横截面呈长方形的坩埚嘴，所述的坩埚嘴四周设有后热器，所述的氧化镓熔体从坩埚嘴的微通道流出与氧化镓籽晶相熔接并结晶生长成氧化镓晶体。
21.进一步地，所述的感应热场包括相互合围形成加热腔的底座、顶罩及侧保温层、设于坩埚嘴下方且环绕于氧化镓晶体与氧化镓籽晶外的下保温层，以及套设于侧保温层外并与感应坩埚及后热器相对应的感应线圈。
22.进一步地，所述的侧保温层外还设有石英筒。
23.进一步地，所述的下保温层设于底座上，所述的下保温层上还设有延伸至顶罩处的带盖陶瓷筒；
24.所述的氧化镓原料棒、感应坩埚设于带盖陶瓷筒内。
25.进一步地，所述的顶罩与带盖陶瓷筒顶部分别开设有通孔，所述的装置还包括穿过该通孔并与氧化镓原料棒相连接的原料棒悬挂杆。
26.进一步地，所述的底座上开设有通孔，所述的籽晶杆从该通孔处穿出。
27.进一步地，所述的坩埚嘴的高度为1.5-3mm，其微通道宽度为0.4-1mm；
28.所述的感应坩埚的总高度为25-50mm，其底部锥形角度为90-120
°
。
29.与现有技术相比，本发明具有以下特点：
30.1)在氧化镓晶体生长过程中，原料棒并非一次性全部熔化，而是仅原料棒下端在坩埚内局部区域熔化，熔体从坩埚嘴微通道流出与籽晶熔接形成稳定熔区，所用坩埚尺寸相对矮小，因此能够减少坩埚贵金属的使用量和熔体对坩埚的腐蚀，大大降低了氧化镓晶体的生长成本；
31.2)氧化镓原料棒的长度大于感应坩埚的深度，在晶体生长过程中悬挂的原料棒缓慢下降向坩埚内持续补充原料并熔化，避免了因坩埚内原料熔体不足而停炉补料再重新升温，降低了长晶能耗；
32.3)采用氧化流动生长气氛，熔体分解挥发产生的气态挥发物及时随气流方向向上排出，熔体在重力和表面张力作用下从坩埚底部的坩埚嘴流出与籽晶熔接，随着籽晶向下
牵引结晶生长。晶体生长方向与气态挥发物气流方向相反，克服了因挥发物附着在籽晶表面产生的异质成核生长、多晶等缺陷问题；
33.4)籽晶完成下种过程后直接进入等径阶段，稳定生长大尺寸片状氧化镓晶体，避免了氧化镓晶体放肩生长阶段产生晶界、开裂、孪晶等缺陷，所生长的氧化镓晶体质量更高、生长周期更短。
附图说明
34.图1为本发明中的一种微下拉区熔法生长片状氧化镓晶体的生长装置的结构示意图；
35.图中标记说明：
36.1-原料棒悬挂杆、2-石英筒、3-带盖陶瓷筒、4-侧保温层、5-氧化镓原料棒、6-感应坩埚、7-氧化镓熔体、8-后热器、9-顶罩、10-感应线圈、11-坩埚盖、12-坩埚嘴、13-氧化镓晶体、14-下保温层、15-氧化镓籽晶、16-籽晶杆、17-底座。
具体实施方式
37.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
38.如图1所示的一种微下拉区熔法生长片状氧化镓晶体的生长装置，包括感应热场、设于感应热场内的感应坩埚6、悬挂于感应坩埚6上方且竖直移动的氧化镓原料棒5，以及竖直移动设于感应坩埚6下方且顶端设有氧化镓籽晶15的籽晶杆16；其中感应坩埚6底部开设有坩埚嘴12，坩埚嘴12四周设有后热器8。
39.具体的，感应热场包括相互合围形成加热腔的底座17、顶罩9及侧保温层4、设于侧保温层4外的石英筒2、设于坩埚嘴12下方且环绕于氧化镓晶体13与氧化镓籽晶15外的下保温层14，以及套设于石英筒2外并与感应坩埚6及后热器8相对应的感应线圈10。
40.其中，下保温层14设于底座17上，下保温层14上还设有延伸至顶罩9处的带盖陶瓷筒3；氧化镓原料棒5、感应坩埚6均设于带盖陶瓷筒3内。
41.优选的，感应坩埚6与后热器8的材质为铱金或铂铑合金，感应坩埚6上还设有坩埚盖11，其材质为铱金、铂铑合金或高纯氧化锆陶瓷。感应坩埚6的总高度为25-50mm，氧化镓原料棒5长度大于感应坩埚6深度，优选长度为30-100mm。感应坩埚6底部呈锥形，锥形角度为90-120
°
。坩埚嘴12位于锥形坩埚底部的正中心，其横截面呈长方形；坩埚嘴12的高度为1.5-3mm，其微通道宽度为0.4-1mm。侧保温层4与下保温层14的材质为高纯氧化锆保温材料或氧化铝保温材料。石英筒2为石英玻璃筒或石英陶瓷筒。带盖陶瓷筒3和顶罩9的材质为氧化锆、氧化铝或氮氧化铝陶瓷材料。
42.此外，顶罩9、带盖陶瓷筒3顶部、坩埚盖11上分别开设有通孔，该通孔为圆形或方形开孔，氧化镓原料棒5通过穿过该通孔的原料棒悬挂杆1悬于加热腔内，并可通过该原料棒悬挂杆1升降移动；同样的，在底座17上还开设有供籽晶杆16穿出的通孔。
43.一种基于上述装置的微下拉区熔法生长片状氧化镓晶体的方法，包括以下步骤：
44.s1：将空感应坩埚6放置于加热炉内的后热器8上，使感应坩埚6、后热器8、侧保温
层4、下保温层14、石英筒2、感应线圈10、籽晶杆16、原料棒悬挂杆1的中心重合；
45.s2：将特定取向的片状氧化镓单晶籽晶安装在籽晶杆16顶端，旋转籽晶杆16使片状籽晶大面与坩埚嘴12的长边相平行；
46.s3：将经过等静压成型、高温烧结制成的高纯氧化镓陶瓷化原料棒固定在坩埚上方的原料棒悬挂杆1末端，下降原料棒悬挂杆1使氧化镓原料棒5末端位于感应坩埚6底部，盖上坩埚盖11使氧化镓原料棒5处于坩埚盖11中心孔的中心位置；
47.s4：安装带盖陶瓷筒3和顶罩9，使原料棒悬挂杆1位于带盖陶瓷筒3和顶罩9中心孔的中心位置；
48.s5：炉内抽真空后充入微正压流动生长气氛，对感应坩埚6进行电磁感应加热至位于感应坩埚6中下部的氧化镓原料棒5区域熔化，并有氧化镓熔体7从坩埚嘴12流出；其中，当感应坩埚和后热器的材质为铱金时，流动生长气氛为混合气体或二氧化碳；当感应坩埚和后热器的材质为铂铑合金时，流动生长气氛为混合气体、氧气、空气或二氧化碳中的一种；优选的，混合气体为氩气、氦气或氮气，与氧气或二氧化碳组成的二元混合气体；生长气氛的流动方向为自下向上，流速为0.3-3l/min；
49.s6：缓慢上升籽晶杆16，使片状籽晶顶部与坩埚嘴12处悬挂的熔体接触并微调加热功率，待籽晶与熔体充分熔接形成稳定熔区，之后以3-15mm/h速率下拉籽晶杆16进行等径生长，同时原料棒悬挂杆以1-10mm/h速度缓慢下降持续补充坩埚内的原料熔体；
50.s7：当晶体生长到指定长度后，将晶体收尾拉脱，同时向上提拉原料棒悬挂杆20-30mm，经15-30h降至室温，即得到目的产物氧化镓晶体。
51.实施例1：
52.采用高纯ga2o3粉末为原料，经过等静压压制、1500℃高温烧结制成氧化镓原料棒5，原料棒长度为70mm；
53.将空铱金感应坩埚6放置于铱金后热器8上，所用坩埚总高度为35mm，坩埚底部锥形角度为110
°
，锥形坩埚底部正中心处的坩埚嘴12高度为2mm，坩埚嘴12微通道宽度为1mm，使感应坩埚6、后热器8、氧化锆侧保温层4、氧化锆下保温层14、陶瓷石英筒2、感应线圈10、籽晶杆16、原料棒悬挂杆1的中心重合；
54.将[010]取向的片状氧化镓单晶籽晶15安装在籽晶杆16顶端，所用籽晶15的顶部截面尺寸与坩埚嘴12截面尺寸相同，旋转籽晶杆16使片状籽晶15大面与坩埚嘴12的长边相平行；
[0055]
将氧化镓原料棒5固定在原料棒悬挂杆1末端，下降原料棒悬挂杆1使氧化镓原料棒5末端位于坩埚底部，盖上铱金坩埚盖11使氧化镓原料棒5处于坩埚盖11圆形中心孔的中心位置；
[0056]
安装氧化铝带盖陶瓷筒3和顶罩9，使原料棒悬挂杆1位于带盖陶瓷筒3和顶罩9中心孔的中心位置；
[0057]
炉内抽真空至10pa后充入氩气和二氧化碳混合生长气体至微正压，混合气体的流速为0.5l/min且流动方向为下进上出；
[0058]
采用中频感应加热方式升温至位于感应坩埚6中下部的氧化镓原料棒5区域熔化，坩埚嘴12处有熔体流出；
[0059]
缓慢上升籽晶杆16，使片状籽晶顶部与坩埚嘴12处悬挂的熔体接触并微调加热功
率，待籽晶与熔体充分熔接形成稳定熔区后，下拉籽晶杆16进行等径生长，晶体生长速率为3mm/h，同时原料棒悬挂杆1以1mm/h速率缓慢下降；
[0060]
晶体生长至60mm长度将晶体收尾拉脱，同时向上提拉原料棒悬挂杆20mm，经过20h降温至室温，获得透明片状氧化镓晶体。
[0061]
对比例1：
[0062]
与实施例1相比，除了坩埚嘴12微通道宽度大于1mm，其余同实施例1。晶体生长过程中，从坩埚嘴12处流出的熔体与籽晶接触后形成的熔区不稳定，晶体生长的稳定性和晶体质量较差。
[0063]
实施例2：
[0064]
氧化镓原料棒5，原料棒长度为35mm；感应坩埚6、后热器8材质为铂铑合金，感应坩埚6总高度为25mm，坩埚底部锥形角度为120
°
，坩埚嘴12高度为1.5mm，坩埚嘴12微通道宽度为0.8mm，侧保温层4材质为氧化铝，石英筒2材质为石英玻璃，带盖陶瓷筒3材质为氧化锆；抽真空时，真空度为8pa，流动生长气体为纯空气气体；控制晶体生长速率为7mm/h，原料棒悬挂杆1下降速率为3.5mm/h，晶体生长的目标长度为45mm，之后向上提拉悬挂杆25mm，经过15h降温至室温，获得透明片状氧化镓晶体。其余同实施例1。
[0065]
实施例3：
[0066]
氧化镓原料棒5的制备烧结温度为1400℃，长度为90mm，感应坩埚6总高度为40mm，坩埚底部锥形角度为100
°
，坩埚嘴12微通道宽度为0.4mm，坩埚盖11材质为高纯氧化锆，带盖陶瓷筒3材质为氮氧化铝，顶罩9材质为氧化锆。抽真空时，真空度为5pa，流动生长气体为氮气与氧气的混合气，混合气体流速为2l/min，控制晶体生长速率为10mm/h，原料棒悬挂杆1下降速率为4mm/h，晶体生长的目标长度为120mm，之后向上提拉悬挂杆30mm，经过30h降温至室温，获得透明片状氧化镓晶体。其余同实施例1。
[0067]
对比例2：
[0068]
与实施例1相比，除了坩埚嘴12微通道宽度小于0.4mm，其余同实施例1。晶体生长过程中，从坩埚嘴12处流出的熔体不能满足晶体持续生长，晶体生长的稳定性较差。
[0069]
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。