[发明专利]一种光学辅助感应加热自坩埚单晶生长装置及应用

说明书

本发明涉及一种光学辅助感应加热自坩埚单晶生长装置及应用，采用通循环水的分立铜管组合成自坩埚，采用高功率的光学热源加热形成液池，实现熔体可控、洁净启熔。选取电阻加热或者光学热源加热形成后热温区实现晶体生长温度梯度控制，利用提拉法、导模法等传统晶体生长技术进行单晶可控高效生长。本发明避免了采用贵金属坩埚作为晶体生长容器，有效克服了贵金属损耗，降低了晶体生长成本。可在各种气氛下进行晶体生长，有利于晶体质量的提升及物理性能的调控。克服了单纯光学浮区法中需要表面张力维持固液界面，难以生长大尺寸晶体的问题。采用光学加热，实现原料的启熔，避免了采用石墨棒、金属棒等启熔带来的杂质污染及包裹体等缺陷的产生。

技术领域

本发明涉及一种光学辅助感应加热方式无需贵金属坩埚、无需金属引燃剂的大尺寸高熔点、高挥发性单晶的生长装置及方法，属于晶体生长设备技术领域。

背景技术

β-Ga₂O₃禁带宽度为E_g＝4.8eV，作为超宽禁带半导体材料受到国内外的广泛关注。相对SiC、GaN等第三代半导体材料，β-Ga₂O₃禁带宽度更大，击穿场强更高，更重要的是该材料可以通过熔体法生长，在单晶尺寸放大及晶体成本降低方面具有明显优势。

然而目前β-Ga₂O₃单晶生长方法多采用铱、铂铑合金等贵金属作为坩埚在高温下进行晶体生长。高温下，β-Ga₂O₃熔体会分解出Ga金属对贵金属坩埚造成腐蚀，从而导致贵金属大的损耗。而铱等贵金属价格极其昂贵，损耗大，导致氧化镓单晶生长投入大、衬底价格高，直接影响了氧化镓单晶、衬底及其相关器件的产业化进程。铂铑合金坩埚熔点较低，如采用该种材料的坩埚生长氧化镓单晶，晶体生长过程中难以设计出合理的温梯，目前采用铂铑合金坩埚生长晶体尺寸仅为1英寸，晶体尺寸放大具有一定困难。此外，合金坩埚中的铑容易进入晶体中，在氧化镓单晶中形成严重的包裹物和色心等缺陷。光学浮区法也被用来生长β-Ga₂O₃单晶，该方法中料棒通过光学加热实现熔融，固液界面需要表面张力维持熔区，光学热源加热能力有限，晶体生长尺寸普遍较小，适合新材料的探索研究，难以实现未来大尺寸衬底产业化。

目前，大尺寸晶体的生长大都依赖贵金属坩埚进行，例如：中国专利文件CN108893780A、CN208594346U、CN209307515U，均采用的是传统坩埚进行晶体生长。然而，传统的坩埚生长装置，尤其是贵金属坩埚损耗导致晶体生长成本高，晶体中杂质多等问题。此外，中国专利文件CN111041558A公开了一种稀土倍半氧化物激光晶体的生长方法，晶体生长采用冷坩埚法，生长过程包括装炉、引燃、熔料、热平衡、生长和冷却六个步骤，利用水冷铜管使原料外部形成一层未熔壳起到坩埚作用，生长出所需尺寸的稀土倍半氧化物激光晶体。该装置采用水冷铜瓣和水冷底盘围成冷坩埚，冷坩埚内径Φ(50-500)mm，高度(50-800)mm之间。然而，该装置和方法仍然需要引燃剂起燃产生高温使附近区域的原料粉末熔化，容易导致异质引燃剂(如石墨)或未完全被氧化的金属或异价氧化物等杂质引入晶体中生成各类缺陷；同时也对晶体生长环境周围的气氛(如氧含量)有较多的要求和限制。

发明内容

针对现有技术的不足，尤其是传统的β-Ga₂O₃、Lu₂O₃等高熔点、高挥发性、高腐蚀性等晶体生长方法和装置对贵金属坩埚的依赖，贵金属坩埚损耗大导致晶体生长投入大、成本高，晶体中缺陷密度高等问题，本发明提供种一种光学辅助感应加热自坩埚单晶生长装置及方法。本发明可以有效避免采用贵金属坩埚，同时可以实现大尺寸β-Ga₂O₃等单晶的可控、大尺寸、高质量、低成本生长。

本发明的技术方案如下：

一种光学辅助感应加热自坩埚单晶生长装置，包括：光学热源和自坩埚，