一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法与流程

1.本发明涉及晶体生产领域，特别涉及一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法。


背景技术：

2.氧化镓(β-ga2o3)晶体是一种超宽禁带半导体材料，具有禁带宽度大(eg＝4.8～5.2ev)，吸收截止边短(～260nm)，击穿电场强度高(8mv/cm)，化学性能稳定，适合熔体法生长等优点。因此，β-ga2o3成为高压、高功率器件和深紫外光电子器件的优选材料之一，可应用于场效应晶体管(fets)、日盲紫外探测器、肖特基二极管、气体传感器等。近年来，氧化镓材料及器件的研究与应用呈现出显著的加速发展势头，成为当前德国、日本、美国等国家的研究热点和竞争重点。2016年1月，美国海军实验室设立了高效氧化镓薄膜外延项目，明确指出氧化镓超高压功率器件在电磁轨道炮、军用雷达等方面的具有重大应用价值。
3.氧化镓具有α、β、ε、δ和γ五种晶体结构，其中β型结构最稳定，温度高于850℃时其它相均转化为β相。β-ga2o3为一致熔融化合物，能够采用熔体法生长获得β-ga2o3体块晶体。生长氧化镓晶体的难点在于：在高温缺氧的生长气氛中ga2o3会发生分解反应，生成低价镓的氧化物和单质镓等产物；而镓会与铱金形成合金，造成贵金属损失；并且β-ga2o3易产生挛晶、镶嵌结构、解理开裂、螺位错等缺陷。因此，获得大尺寸、高质量β-ga2o3晶体极为困难。
4.提拉法和导模法是目前生长大尺寸氧化镓晶体较为成功的方法。德国莱布尼茨晶体生长研究所采用提拉法成功生长出2英寸β-ga2o3晶体，日本田村制作所(tamura)和光波公司(koha co.,ltd)采用导模法技术率先实现商品化2英寸β-ga2o3基片，并试生长出6英寸晶体坯片。但这两种生长方法存在不足之处：提拉法和导模法生长β-ga2o3晶体均采用铱金坩埚，而一方面镓会对铱金坩埚内壁造成严重的腐蚀，铱金损耗量较大；为了抑制生长过程中ga2o3的分解挥发，莱布尼茨晶体生长研究所采用7bar高压co2气氛生长晶体，这对设备的耐压性提出了更加苛刻的要求。另一方面，全球贵金属铱的产量为7吨/
5.年，一个制备2英寸氧化镓的铱坩埚需要10公斤铱，铱的产量无法满足未来全球电子产业对氧化镓的生产需求，过去5年，铱价格暴涨10倍以上，从2016年1月每盎司520美元，到2021年8月每盎司5300美元，其中2021年5月达到月度最高点每盎司6300美元，铱占氧化镓制备成本的一半以上，氧化镓成本居高不下将大大限制氧化镓的商业化应用。更重要的是，铱坩埚使得氧化镓晶体无法在富氧环境工作，铱坩埚法带来的晶体缺陷无法克服。


技术实现要素：

6.本发明提供一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，该方法在富氧环境工作，不使用铱坩埚。
7.技术方案是：一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，包括以下步骤：
8.⑴
在冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置内放置β-ga2o3籽晶，堆积
ga2o3原料形成原料堆；
9.⑵
启动感应线圈的加热电源；
10.⑶
化料；
11.⑷
引晶；
12.⑸
放肩；
13.⑹
等径生长。
14.在本发明的一个或多个有效实施的具体实施方式中，所述引晶中，籽晶缓慢进入熔体，籽晶旋转缓慢进入熔体，引晶晶颈直径小于20mm，长度大于50mm。
15.在本发明的一个或多个有效实施的具体实施方式中，所述放肩中，生长速率不大于10-30g每小时；12小时放肩完成。
16.在本发明的一个或多个有效实施的具体实施方式中，所述等径生长中，等径生长速率不大于100g每小时。
17.在本发明的一个或多个有效实施的具体实施方式中，所述冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法采用负反馈功率控制。
18.在本发明的一个或多个有效实施的具体实施方式中，所述冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置包括水冷坩埚的埚壁、高频感应线圈、水冷坩埚的底座和耐火底座，水冷坩埚的埚壁由若干水冷管围绕水冷坩埚的底座轴线等距排列围成，高频感应线圈设置在水冷坩埚的埚壁的周围，将水冷坩埚的埚壁包围在内，水冷坩埚的底座放置在耐火底座上，冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置还包括氧化镓籽晶夹头，氧化镓籽晶夹头的下端位于高频感应线圈形成的热场中心。
19.在本发明的一个或多个有效实施的具体实施方式中，所述冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置还设置有隔热板，隔热板设置在水冷坩埚的顶部。
20.在本发明的一个或多个有效实施的具体实施方式中，所述冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置还设置有保温层。
21.在本发明的一个或多个有效实施的具体实施方式中，所述冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置还包括若干环形凹反射屏，所述若干环形凹反射屏与一反射屏传动轴连接。
22.在本发明的一个或多个有效实施的具体实施方式中，所述若干环形凹反射屏聚焦的位置为晶体生长最大直径位置。
23.本发明还提供一种大尺寸氧化镓晶体。
24.一种大尺寸氧化镓晶体，该大尺寸氧化镓晶体由上述的方法生长而成。
附图说明
25.图1为本发明一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置结构示意图；
26.图2为图1支撑架结构示意图；
27.图3为本发明另一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置结构示意图；
28.图4为图1的生长装置形成的温度分布；
29.图5为图3的生长装置形成的温度分布；
30.图中，1、水冷坩埚的埚壁，2、高频感应线圈，3、水冷坩埚的底座，4、耐火底座，5、氧化镓籽晶夹头，6、氧化镓籽晶传动轴，7、支撑柱，8、支撑架，9、环形凹反射屏，10、隔热板，11、保温层，12、反射屏传动轴。
具体实施方式
31.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
32.请参考图1，图1为本发明一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置结构示意图，图2为支撑架结构示意图。
33.一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置，包括水冷坩埚的埚壁1、高频感应线圈2、水冷坩埚的底座3和耐火底座4，水冷坩埚的埚壁1由若干水冷管围绕水冷坩埚的底座3轴线等距排列围成，高频感应线圈2设置在水冷坩埚的埚壁1的周围，将水冷坩埚的埚壁1包围在内，水冷坩埚的底座3放置在耐火底座4上，冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置还包括氧化镓籽晶夹头5，氧化镓籽晶夹头5的下端位于高频感应线圈2形成的热场中心。
34.在本发明的一个或多个具体地实施方式中，冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置还包括若干支撑柱7和支撑架8，若干支撑柱7分布在高频感应线圈2外，支撑架8连接在若干支撑柱7的上端，氧化镓籽晶夹头5穿过支撑架8并安装在支撑架8上，氧化镓籽晶夹头5上端连接氧化镓籽晶传动轴6，氧化镓籽晶传动轴6另一端与现有的动力传动机构连接(图中未示出)。
35.在本发明的一个或多个具体地实施方式中，水冷坩埚的顶部放置有隔热板10，本领域技术人员应知晓的是，隔热板10放置的目的是为了隔热，并非是为了阻止气体流通。
36.在本发明的一个或多个具体地实施方式中，水冷坩埚外设置有保温层11，本领域技术人员应知晓的是，保温层11设置的目的是为了保温，并非是为了阻止气体流通。
37.由于水冷坩埚的埚壁1是由若干水冷管围绕水冷坩埚的底座3轴线等距排列围成的，因此水冷管之间是有缝隙的，且上方也为敞开结构，因此当圆球状的ga2o3原料在热场内生长氧化镓晶体时，相当于直接在空气中与氧气接触，不存在高温缺氧，且不需要昂贵的铱坩埚，因此降低了生产成本。更重要的是，本发明冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置在整个工作中，由于生成的熔体及晶体除与氧化镓籽晶接触外，不与其他金属等接触，因此极大地降低了生成晶体中的杂质。
38.图1所示的冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置结构示意图虽然解决了缺氧及昂贵的铱坩埚，但是，图1所示的生长装置由于水冷坩埚的埚壁1是通过循环水冷却的，因此图1所示的生长装置工作时容易形成中间高，四周低的温度分布，而提拉法生长晶体，需要中间低，四周温度高的温度分布。
39.请参考图3，图3为本发明另一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置结构示意图。
40.一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置，包括水冷坩埚的埚壁1、高频感应线圈2、水冷坩埚的底座3和耐火底座4，水冷坩埚的埚壁1由若干水冷管围绕水冷坩埚的底座3轴线等距排列围成，高频感应线圈2设置在水冷坩埚的埚壁1的周围，将水冷坩埚的埚壁1包围在内，水冷坩埚的底座3放置在耐火底座4上，冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓
晶体的生长装置还包括氧化镓籽晶夹头5，氧化镓籽晶夹头5的下端位于高频感应线圈2形成的热场中心，冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置还包括若干环形凹反射屏9，环形凹反射屏9将热量反射汇集到四周，形成满足长晶的温度分布。
41.在本发明的一个或多个具体地实施方式中，环形凹反射屏连接有反射屏传动轴12，反射屏传动轴12另一端与现有的动力传动机构连接(图中未示出)。
42.在本发明的一个或多个具体地实施方式中，冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置还包括若干支撑柱7和支撑架8，若干支撑柱7分布在高频感应线圈2外，支撑架8连接在若干支撑柱7的上端，氧化镓籽晶夹头5穿过支撑架8并安装在支撑架8上，氧化镓籽晶夹头5上端连接氧化镓籽晶传动轴6，氧化镓籽晶传动轴6另一端与现有的动力传动机构连接(图中未示出)。
43.在本发明的一个或多个具体地实施方式中，水冷坩埚的顶部放置有隔热板10，本领域技术人员知晓的是，隔热板10放置的目的是为了隔热，并非是为了阻止气体流通。
44.在本发明的一个或多个具体地实施方式中，水冷坩埚外设置有保温层11，本领域技术人员应知晓的是，保温层11设置的目的是为了保温，并非是为了阻止气体流通。
45.实验1热场分布测试
46.分别对图1及图3的生长装置进行温度分布检测，图1及图3的生长装置除图3的装了环形凹反射屏9外，其余的结构及大小形状均相同，检测所用的方法及条件也没有差别。
47.图1的生长装置形成的温度分布如图4，图3的生长装置形成的温度分布如图5。
48.下面实施例2-6采用的为图3的生长装置，但是，不同的实施例中采用的图3中的部件有所不同。
49.实施例2
50.一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，包括以下步骤：
51.⑴
在水冷坩埚的底座3放置β-ga2o3籽晶，堆积高纯ga2o3圆球状原料形成原料堆。
52.⑵
启动感应线圈的加热电源。
53.⑶
化料。
54.⑷
引晶。籽晶缓慢进入熔体上方10-20mm处，重量开始下降，籽晶融化，无法进入下一步。
55.实施例2中，图3的装置中去掉了隔热板10、保温层11以及未启用环形凹反射屏9及反射屏传动轴12。
56.结果如下表1。
57.实施例3
58.一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，包括以下步骤：
59.⑴
在水冷坩埚的底座3放置β-ga2o3籽晶，堆积高纯ga2o3圆球状原料形成原料堆。
60.⑵
启动感应线圈的加热电源。
61.⑶
化料。
62.⑷
引晶。籽晶缓慢旋转进入熔体，重量未发生变化，籽晶不发育。无法进入下一步。
63.实施例3中，图3的装置中去掉了保温层11以及未启用环形凹反射屏9及反射屏传动轴12。
64.实施例4
65.一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，包括以下步骤：
66.⑴
在水冷坩埚的底座3放置β-ga2o3籽晶，堆积ga2o3圆球状原料形成原料堆。籽晶杆接入水冷，接入水冷的水温为室温。
67.⑵
启动感应线圈的加热电源。
68.⑶
化料。
69.⑷
引晶。籽晶缓慢进入熔体，籽晶旋转缓慢进入熔体，引晶晶颈直径小于15mm,晶体停止发育，无法放肩。
70.⑹
等径生长。等径生长速率不大于10g每小时。
71.实施例3中，图3的装置中去掉了保温层11以及未启用环形凹反射屏9及反射屏传动轴12。
72.结果如下表1。
73.实施例5
74.一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，该方法采用图2的生长装置，包括以下步骤：
75.⑴
在水冷坩埚的底座3放置β-ga2o3籽晶，堆积高纯ga2o3圆球状原料形成原料堆。籽晶杆接入水冷，水温为室温。
76.⑵
启动感应线圈的加热电源。
77.⑶
化料。
78.⑷
引晶。籽晶缓慢旋转进入熔体，引晶晶颈直径小于20mm，长度大于50mm。
79.⑸
放肩。可放大到25mm,但不能继续生长。
80.⑹
等径生长。等径生长速率不大于20g每小时。
81.实施例3中，图3的装置中未启用环形凹反射屏9及反射屏传动轴12。
82.结果如下表1。
83.实施例6一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，该方法采用负反馈功率控制，包括以下步骤：
84.⑴
在水冷坩埚的底座3放置β-ga2o3籽晶，堆积高纯ga2o3圆球状原料形成原料堆。籽晶杆接入水冷，水温为室温。
85.⑵
启动感应线圈的加热电源。
86.⑶
化料。
87.⑷
引晶。籽晶缓慢旋转进入熔体，引晶晶颈直径小于20mm，长度大于50mm。
88.⑸
放肩。晶体生长速率在10-100克缓慢增长，反射镜聚焦位置为晶体生长最大直径位置。放肩到该位置停止。
89.⑹
等径生长。等径生长速率不大于100g每小时。
90.结果如下表1。
91.表1
[0092][0093][0094]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，包括以下步骤：
⑴
在冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置内放置β-ga2o3籽晶，堆积ga2o3原料形成原料堆；
⑵
启动感应线圈的加热电源；
⑶
化料；
⑷
引晶；
⑸
放肩；
⑹
等径生长。2.根据权利要求1所述的冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，其特征在于，所述引晶中，籽晶缓慢进入熔体，籽晶旋转缓慢进入熔体，引晶晶颈直径小于20mm，长度大于50mm。3.根据权利要求1所述的冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，其特征在于，所述放肩中，生长速率不大于10-30g每小时；12小时放肩完成；和/或所述冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法采用负反馈功率控制。4.根据权利要求1所述的冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，其特征在于，所述等径生长中，等径生长速率不大于100g每小时。5.根据权利要求1-4任一所述的冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，其特征在于，所述冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置包括水冷坩埚的埚壁(1)、高频感应线圈(2)、水冷坩埚的底座(3)和耐火底座(4)，水冷坩埚的埚壁(1)由若干水冷管围绕水冷坩埚的底座(3)轴线等距排列围成，高频感应线圈(2)设置在水冷坩埚的埚壁(1)的周围，将水冷坩埚的埚壁(1)包围在内，水冷坩埚的底座(3)放置在耐火底座(4)上，冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置还包括氧化镓籽晶夹头(5)，氧化镓籽晶夹头(5)的下端位于高频感应线圈(2)形成的热场中心。6.根据权利要求5所述的冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，其特征在于，所述冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置还包括若干支撑柱(7)和支撑架(8)，若干支撑柱(7)分布在高频感应线圈(2)外，支撑架(8)连接在若干支撑柱(7)的上端，氧化镓籽晶夹头(5)穿过支撑架(8)并安装在支撑架(8)上，氧化镓籽晶夹头(5)上端连接氧化镓籽晶传动轴(6)。7.根据权利要求1-6任一所述的冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，其特征在于，所述冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置还设置有隔热板(10)，隔热板(10)设置在水冷坩埚的顶部；或/和所述冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置还设置有保温层(11)。8.根据权利要求1-7任一所述的冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，其特征在于，所述冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长装置还包括若干环形凹反射屏(9)，所述若干环形凹反射屏(9)与一反射屏传动轴(12)连接。9.根据权利要求8所述的冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，其特征在于，所述若干环形凹反射屏(9)聚焦的位置为晶体生长最大直径位置。10.一种大尺寸氧化镓晶体，其特征在于，该大尺寸氧化镓晶体由权利要求1-9任一所述的方法生长而成。

技术总结
本发明公开了一种冷坩埚提拉法制备大尺寸氧化镓晶体的生长方法，包括以下步骤：


技术研发人员：唐皇哉 承刚 胡树金
受保护的技术使用者：北京厚朴思技术有限公司
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/10/19