[发明专利]一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长装置及其方法

说明书

本发明涉及一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长装置及其方法，装置包括单晶炉、铱金坩埚、热场部件、气氛控制单元，热场部件围绕铱金坩埚设置，由独立加热的上温区和下温区组成。本装置采用上、下双温区独立加热，上温区为高温区具有较小的轴向温度梯度，能够有效控制由于熔体温度过高而导致氧化镓原料分解挥发的加剧；下温区为低温区，能够对晶体进行原位退火减少晶体内部应力，上、下温区加热功率相互匹配调节能够更灵活地调控热场的轴向、径向温度梯度。与现有技术相比，本发明能够有效抑制高温晶体生长过程中氧化镓原料的分解挥发，提高晶体的结晶完整性，延长坩埚使用寿命。

技术领域

本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长装置及其方法。

背景技术

氧化物半导体β-Ga₂O₃单晶具有禁带宽度大(～4.9eV)、理论击穿场强高(8MV/cm)等显著优势，在高耐压低损耗功率器件、日盲探测器、高亮度LED等领域具有重要潜在应用价值。近年来β-Ga₂O₃晶体生长技术的突破性进展极大地推动了相关薄膜外延和器件的研究，氧化镓肖特基二极管、MOSFET器件性能迅速提升，目前水平及垂直氧化镓肖特基二极管分别取得了超过3kV和2.2kV的击穿电压，MOSFET器件击穿电压达到1.85kV。

相对于SiC、GaN等第三代半导体材料而言，β-Ga₂O₃能够采用熔体法制备体单晶，生长成本较低。β-Ga₂O₃晶体的生长难点在于在高温缺氧环境下氧化镓发生分解挥发，会影响晶体生长的稳定性和结晶质量，并且β-Ga₂O₃易于形成孪晶、小角晶界、解理开裂等缺陷。大尺寸β-Ga₂O₃晶体的生长方法主要有提拉法、导模法和下降法。2016年，德国莱布尼茨晶体生长研究所采用提拉法生长获得2英寸β-Ga₂O₃单晶，晶体重量超过1kg。由于提拉法生长的热场环境相对开放，随着晶体尺寸增大熔体分解挥发问题难以有效抑制，目前该方法未见有更大尺寸β-Ga₂O₃晶体的报道。与提拉法相比，导模法更容易设计熔体上方准封闭热场环境达到抑制原料挥发的目的，生长获得的β-Ga₂O₃晶体为片状或板条状，日本Novel CrystalTechnology公司采用导模法技术已经实现商品化2英寸、4英寸β-Ga₂O₃单晶基片。下降法是近几年开始应用于β-Ga₂O₃晶体生长，目前公开报道可生长出2英寸β-Ga₂O₃晶体，该方法使用的是铂铑合金坩埚，β-Ga₂O₃晶体的熔点接近铂铑合金坩埚的使用温度极限，晶体尺寸越大坩埚被熔化的风险越高，并且生长结束取出晶体时需要对坩埚进行破坏性剥离。

专利CN103541008A公开了一种大尺寸氧化镓单晶的生长方法及生长装置，该专利采用导模法生长技术，生长装置采用直接感应铱金坩埚加热原料，无外加金属发热体，金属后热器位于感应线圈上方，热场的轴向、径向温度梯度调节幅度有限。专利CN105970290A公开了一种有效抑制氧化镓晶体缺陷的生长装置，该生长装置采用的是单一感应线圈、单一金属发热体形成的单温区热场。专利CN104195640A公开了一种用于蓝宝石单晶生长的热场系统，该热场系统采用石墨侧发热体、石墨底发热体、石墨软毡或碳纤维软毡保温层，含石墨的热场环境会加剧氧化镓的分解挥发，不合适生长氧化镓晶体。

发明内容

本发明的目的就是为了有效抑制高温晶体生长过程中氧化镓原料的分解挥发，提高晶体的结晶完整性，延长坩埚使用寿命，提供一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长装置及其方法。

本发明的目的通过以下技术方案实现：