[發明專利]一種提拉法生長氧化鎵晶體的雙腔結構與方法

有效

• 申請號: 202111306205.9
• 申請日: 2021-11-05
• 公開（公告）號: CN114232070B
• 公開（公告）日: 2023-05-12
• 發明（設計）人: 張輝;王嘉斌;夏寧;馬可可;劉瑩瑩;楊德仁
• 申請（專利權）人: 杭州鎵仁半導體有限公司
• 主分類號: C30B15/00
• 分類號: C30B15/00;C30B29/16
• 代理公司: 杭州五洲普華專利代理事務所(特殊普通合伙) 33260
• 代理人: 姚宇吉

本發明公開了一種提拉法生長氧化鎵晶體的雙腔結構與方法，包括主腔體、第二腔體、加熱線圈、保溫材料組件以及提拉旋轉裝置，所述第二腔體設置于主腔體的頂端并與主腔體相通，所述主腔體中心處設有坩堝托與加熱坩堝，所述坩堝托下方設有坩堝升降裝置；其中，所述第二腔體與主腔體之間設有推拉式擋塊裝置，用于將第二腔體與主腔體隔絕；所述提拉旋轉裝置上設有籽晶更換裝置；在晶體原料熔融引晶生長前，將籽晶下降至主腔體接觸熔體，通過快速放肩，包覆漂浮物生長，然后控制籽晶桿提升至本發明設計中提及的第二腔體內，通過設計的中間隔板裝置密封主腔體，更換新的籽晶后重新引晶生長，從而避免熔體表面漂浮物對后續晶體生長產生影響。

技術領域

本發明涉及單晶生長工藝和設備領域，尤其涉及一種提拉法生長氧化鎵晶體的雙腔結構與方法，目的是處理氧化鎵原料在坩堝內高溫熔融后漂浮在熔體表面的不溶物或雜質漂浮物。

背景技術

氧化鎵晶體是一種透明的超寬禁帶氧化物半導體材料，除了禁帶寬度寬(4.8eV)，擊穿電場強度大等遠優于碳化硅、氮化鎵等第三代半導體材料外，還具有獨特的紫外透過特性(紫外透過率可達80％以上)以及低能量損耗、物理化學性質穩定等優點，被認為是未來支撐信息、能源、交通、制造、國防等領域快速發展的新一代半導體材料。

在各種晶體生長工藝中，提拉法是生長高熔點氧化物晶體最常用的方法之一，除了可以用來生長大尺寸的體塊單晶外，還具有生長過程可視、控制較為簡單，晶體內部缺陷少(通過縮頸工藝)等優點，因此，提拉法是適合用于生長氧化鎵晶體的。目前國內外關于提拉法生長氧化鎵晶體已有較多的探索，2015年山東大學穆文祥等通過優化提拉法生長工藝，有效解決了原料揮發、晶體開裂問題、氣泡及包裹等問題，獲得了直徑25mm的氧化鎵單晶；2017年中國科學院安徽光學精密機械研究所的趙緒堯等通過設計特殊的晶體生長裝置及組合生長氣氛等措施，有效抑制了提拉法生長氧化鎵晶體過程中的鎵揮發及螺旋生長等難題，成功生長出了直徑30mm、長度80mm的氧化鎵單晶。

采用提拉法生長氧化鎵單晶時，普遍的將氧化鎵粉料放入晶體生長設備中，加熱至1820℃附近熔化，通過控制熔體和籽晶之間的溫度梯度，使過冷狀態的熔體按照籽晶的晶向定向生長。但是因為氧化鎵的熔點溫度較高，且有氧化鎵高溫揮發和分解的原因，會對坩堝材料造成一定的腐蝕，專利文獻(CN?111041556?A)中明確銥在超過1800℃的高溫爐內，在超過百分之幾的氧分壓下會進行銥的氧化反應，難以用作穩定的坩堝材料，這些腐蝕導致的少量銥雜質或銥的氧化物以漂浮物的方式存在于熔體表面；熔體表面漂浮物的存在對后續晶體生長過程中的下籽晶步驟產生不利影響，會誘發晶體內部位錯、孿晶、螺紋生長等缺陷，最終影響晶體的質量或導致長晶無法進行。在現有技術條件下，使用單腔體生長設備提拉法生長氧化鎵晶體時，熔體表面漂浮物是比較常見也比較棘手的問題，因此需要新的設備或方法，避免漂浮物對晶體生長以及質量產生影響。

發明內容

本發明的一個目的是為了解決上述問題，而提供一種提拉法生長氧化鎵晶體的雙腔結構，通過快速更換裝置更換籽晶或者直接切割籽晶的方式，不停爐解決熔體表面漂浮物的問題，可以提高晶體生長效率，避免停機，降低能耗。在晶體原料熔融引晶生長前，將籽晶下降至主腔體接觸熔體，通過快速放肩，包覆漂浮物生長，然后控制籽晶桿提升至本發明設計中提及的第二腔體內，通過設計的中間隔板裝置密封主腔體，更換新的籽晶后重新引晶生長，從而避免熔體表面漂浮物對后續晶體生長產生影響。

本發明的另一個目的是提供該雙腔結構生長氧化鎵晶體的方法。

為了實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

本發明第一方面提供了一種提拉法生長氧化鎵晶體的雙腔結構，包括主腔體、第二腔體、加熱線圈、保溫材料組件以及提拉旋轉裝置，所述第二腔體設置于主腔體的頂端并與主腔體相通，所述主腔體中心處設有坩堝托與加熱坩堝，所述坩堝托下方設有坩堝升降裝置；其中，所述第二腔體與主腔體之間設有推拉式擋塊裝置，用于將第二腔體與主腔體隔絕；所述提拉旋轉裝置上設有籽晶更換裝置。