[发明专利]一种无铱区熔法氧化镓晶体的生长装置及生长方法

说明书

本发明公开了一种无铱区熔法氧化镓晶体的生长装置及生长方法。本发明中提及的无铱区熔法属于熔体法生长单晶的方法，不使用贵金属作为发热源，通过外部的发热体发热，热量通过高透过率、高导热性能材料做成的气氛隔离装置，将固体氧化镓多晶料棒或者陶瓷棒加热融化，然后将籽晶与熔体接触，通过对温度、升降、转速等工艺条件进行控制，使熔融区逐步的上移，进而使远离热场的熔体区按照籽晶晶向进行定向结晶，最终获得大尺寸、高质量、确定晶向的氧化镓单晶。

技术领域

本发明涉及单晶生长设备和工艺领域，特别是涉及一种在接近常压的条件下，以区熔的生长方法获得高质量、大尺寸、确定晶向的β-Ga₂O₃单晶的无铱区熔法氧化镓晶体的生长装置及生长方法。

背景技术

氧化镓晶体是一种透明的超宽禁带氧化物半导体材料，其中β-Ga₂O₃晶相具有禁带宽度宽（4.9eV），击穿电场强度大等优点，远优于碳化硅、氮化镓等第三代半导体材料，研究显示其巴利加优值约为Si的3400倍，约为SiC的10 倍，可以减少器件在使用时的电力损耗，未来将在电力电子、高低压转换等领域有着极为广阔的应用前景，同时相较于SiC的气相生长方式，β-Ga₂O₃适用于熔体生长，生长速度快，生长成本也更低，是未来支撑信息、能源、交通、制造、国防等领域快速发展的新一代半导体材料。

目前已公开报道的β-Ga₂O₃晶体的生长方法包括提拉法、导模法、布里奇曼法、浮区法等，其中使用坩埚的多以贵金属做坩埚材料，以铱金、铂铑合金为主，但因氧化镓熔点在1793℃，同时在高温时氧化镓会挥发和分解，存在金属镓在熔体中富集对铱金坩埚造成腐蚀的问题，影响晶体的生长过程和晶体质量；而铂铑合金坩埚因熔点很接近氧化镓的熔点，因此对温度的控制需要极为准确，同时存在铑污染等问题；另外因为生长需要的大量的贵金属，导致晶体的生长投入的成本，生长后坩埚腐蚀维护成本很高；光学浮区法生长晶体不需要贵金属坩埚，其常用的加热光源有高压氙灯和激光加热，如专利CN 114197032 A中所述的激光加热；如CN201710011291.8中所使用的普通光学浮区炉，但受限于加热热源的大小，浮区法只能获得φ5-10mm的晶棒，虽然晶体质量较好，但是不能满足大批量、大尺寸的产业需求。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种可用于获得大尺寸高质量的氧化镓晶棒的无铱区熔法氧化镓晶体的生长装置及生长方法。本发明中提及的无铱区熔法属于熔体法生长单晶的方法，不使用贵金属作为发热源，通过外部的发热体发热，热量通过高透过率、高导热性能材料做成的气氛隔离装置，将固体氧化镓多晶料棒或者陶瓷棒加热融化，然后将籽晶与熔体接触，通过对温度、升降、转速等工艺条件进行控制，使熔融区逐步的上移，进而使远离热场的熔体区按照籽晶晶向进行定向结晶，最终获得大尺寸、高质量、确定晶向的氧化镓单晶。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明首先提供了一种无铱区熔法氧化镓晶体的生长装置，包括：

炉体，所述炉体内设有生长腔与加热腔，所述生长腔与所述加热腔之间设有气氛隔离装置；

石墨加热装置与保温装置，所述保温装置包括上部保温材料，侧部保温材料与下部保温材料，其中石墨加热装置与侧部保温材料设置于所述加热腔内，上部保温材料和下部保温材料分别安装在生长腔的上部和下部；

氧化镓料棒，所述氧化镓料棒设置于所述生长腔内部；

籽晶与籽晶台，所述籽晶台安装在所述石墨加热装置与保温装置形成热区的中心位置下部，所述籽晶安装在籽晶台上；

第一旋转提拉装置，所述第一旋转提拉装置安装在所述炉体外侧顶部，用于带动氧化镓料棒的升降与旋转；

第二旋转提拉装置，所述第二旋转提拉装置安装在所述炉体的下部，用于带动籽晶台的升降与旋转；