一种氧化镓单晶棒的生长设备及方法与流程

本发明涉及氧化镓单晶棒生长领域，尤其涉及一种氧化镓单晶棒的生长设备及方法。

背景技术：

1、近十年来，β-氧化镓(β-ga2o3)材料和器件技术取得了快速发展，其禁带宽度eg＝4.9ev，远超碳化硅(约3.4ev)、氮化镓(约3.3ev)和硅(1.1ev)，其导电性能和发光特性良好，具有很强的电子学、光学和热学性能。它具有高折射率、可调谐的拉曼散射响应、低的漏电流和以非常稳定的外延特性。它还具有出色的小波纹动态动态特性和高的发射效率。此外，它还具有很高的压集能和硒的抗氧化能。

2、氧化镓(ga2o3)单晶的应用领域主要有：激光器件、加速器和雷达系统、传感器、可视化图像传感器、天线、滤波器和片上电路。此外，它还广泛应用于光学技术——它可用于制造变形镜、bk7镜片、视频镜头控制器和高性能成像系统。

3、在未来，氧化镓(ga2o3)将作为一种高性能、高可靠性的半导体材料可能会取代硅(si)和其他半导体材料，以实现低功耗电子电路的设计。它将有助于小型化电子器件，以满足人们日益增长的对小型电子产品和消费电子产品的需求。在未来，随着传感器、滤波器、电路设计和可视图像成像技术的发展，氧化镓(ga2o3)也将大量应用于这些领域。因此，氧化镓(ga2o3)有望在未来发挥重要作用，并带来巨大的发展机遇。

4、目前氧化镓单晶的生长工艺主要有导模法和直拉法等。这些生长方法成晶率低，熔料大量分解出氧气，熔料中镓和氧的配比失衡，熔料大量挥发，挥发物粘到籽晶上，大大影响了晶体的生长。

技术实现思路

1、本发明提供一种氧化镓单晶棒的生长设备及方法，能够提高单晶的成晶率和质量。

2、本发明的实施例提供了一种氧化镓单晶棒的生长设备，包括：压力机构、加热机构、氧化镓熔体出料机构、升降和旋转机构、籽晶安装机构。压力机构具有压力腔，压力机构用于对压力腔中的压力进行控制。加热机构设置在压力腔中，加热机构用于对压力腔中的温度进行控制。氧化镓熔体出料机构设置在压力腔中，氧化镓熔体出料机构用于输出氧化镓熔体，以及控制氧化镓熔体的输出量。升降和旋转机构用于控制氧化镓粉料装载机构的升降和旋转。籽晶安装机构用于供籽晶安装，以及控制籽晶与氧化镓熔体接触。

3、在其中一些实施例中，压力机构包括：压力腔体、循环冷却水管和底座。压力腔体限定出压力腔。循环冷却水管盘绕在压力腔体的外周壁上。底座支撑在压力腔体的底部。

4、在其中一些实施例中，压力机构还包括：观察窗。观察窗设置在压力腔体的顶部。

5、在其中一些实施例中，加热机构包括：加热器。加热器为竖直设置的筒状结构。

6、在其中一些实施例中，氧化镓熔体出料机构包括：铱金坩埚、熔体出料模具、坩埚盖、氧气管和氧气控制结构。熔体出料模具具有输出管和模具平台。输出管的下端伸入至铱金坩埚中。模具平台设置在输出管的上方，模具平台从输出管的上端的外周壁逐步向外扩张。坩埚盖盖设在铱金坩埚的顶部坩埚口处。坩埚盖支撑在输出管的外周和模具平台的底部。坩埚盖具有进气口。氧气管穿过压力腔体的顶壁，氧气管的下端安装在进气口处，氧气管的上端设置在压力腔体的上方。氧气控制结构安装在氧气管上，氧气控制结构控制氧气管中的氧气流量。

7、在其中一些实施例中，模具平台设置在加热机构的上方。

8、在其中一些实施例中，输出管的下端具有凸起，凸起包括多个，各凸起环绕输出管的中心线布置，凸起与铱金坩埚的底壁抵触。

9、在其中一些实施例中，升降和旋转机构包括：支撑托、坩埚旋转控制电机和坩埚升降控制电机。支撑托具有支撑平台和支撑杆。支撑平台供氧化镓熔体出料机构设置。支撑杆穿过压力腔体的底壁，支撑杆的上端支撑在支撑平台的底部，支撑杆的下端设置在压力腔体的下方。坩埚旋转控制电机输出端与支撑杆的下端连接。坩埚升降控制电机控制支撑托的升降。

10、在其中一些实施例中，籽晶安装机构包括：籽晶杆、籽晶杆旋转控制电机和籽晶杆升降控制电机。籽晶杆穿过压力腔体的顶壁，籽晶杆的下端设置在模具平台的上方，籽晶杆的下端供籽晶安装，籽晶杆的上端设置在压力腔体的上方。籽晶杆旋转控制电机输出端与籽晶杆的下端连接。籽晶杆升降控制电机控制籽晶杆旋转控制电机的升降。

11、本发明的实施例还提供了一种氧化镓单晶棒的的生长方法，包括以下步骤：将氧化镓粉料装入到铱金坩埚内。将熔体出料模具安装到铱金坩埚内，将坩埚盖盖好铱金坩埚的顶部坩埚口。将铱金坩埚放到支撑平台上。通过坩埚旋转控制电机和坩埚升降控制电机使得铱金坩埚的位置和温场稳定。将籽晶安装到籽晶杆上。将氧气管安装到坩埚盖的进气口内。将加热器的温度升高到1900摄氏度，待氧化镓粉料融化后，通过氧气控制结构控制模具平台上有氧化镓熔液，保持氧气流量不变。通过坩埚升降控制电机将籽晶杆下降到模具平台上方，与氧化镓熔液接触，开始进行氧化镓单晶生长。其中，引晶过程中，籽晶杆的旋转速度在7-10rad/min，籽晶杆的升降速度在15-20mm/h，放肩生长过程中，籽晶杆的旋转速度调整到10-20rad/min，籽晶杆的升降速度调整到30-40mm/h，降温速度达到3℃/h。

12、根据本发明的实施例提供的一种氧化镓单晶棒的生长设备，包括：压力机构、加热机构、氧化镓熔体出料机构、升降和旋转机构、籽晶安装机构。压力机构具有压力腔，压力机构用于对压力腔中的压力进行控制。加热机构设置在压力腔中，加热机构用于对压力腔中的温度进行控制。氧化镓熔体出料机构设置在压力腔中，氧化镓熔体出料机构用于输出氧化镓熔体，以及控制氧化镓熔体的输出量。升降和旋转机构用于控制氧化镓粉料装载机构的升降和旋转。籽晶安装机构用于供籽晶安装，以及控制籽晶与氧化镓熔体接触。本发明的设备可通过铱金坩埚的旋转和升降控制温场的均匀和生长温度梯度，保证了温场的均衡性和稳定性，减少了晶体孪晶和氧空位等缺陷，使氧化镓稳定、缓慢、均衡的在籽晶上生长，大大提高了成晶率，抑制了氧化镓的分解和挥发，使氧化镓单晶质量大大提高。

技术特征：

1.一种氧化镓单晶棒的生长设备，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的生长设备，其特征在于，所述压力机构包括：

3.如权利要求1所述的生长设备，其特征在于，所述压力机构还包括：

4.如权利要求1所述的生长设备，其特征在于，所述加热机构包括：

5.如权利要求1-4任一所述的生长设备，其特征在于，所述氧化镓熔体出料机构包括：

6.如权利要求4所述的生长设备，其特征在于，

7.如权利要求4所述的生长设备，其特征在于，

8.如权利要求1所述的生长设备，其特征在于，所述升降和旋转机构包括：

9.如权利要求1所述的生长设备，其特征在于，所述籽晶安装机构包括：

10.一种氧化镓单晶棒的的生长方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种氧化镓单晶棒的生长设备及方法，生长设备包括：压力机构、加热机构、氧化镓熔体出料机构、升降和旋转机构、籽晶安装机构。压力机构具有压力腔，压力机构用于对压力腔中的压力进行控制。加热机构设置在压力腔中，加热机构用于对压力腔中的温度进行控制。氧化镓熔体出料机构设置在压力腔中，氧化镓熔体出料机构用于输出氧化镓熔体，以及控制氧化镓熔体的输出量。升降和旋转机构用于控制氧化镓粉料装载机构的升降和旋转。籽晶安装机构用于供籽晶安装，以及控制籽晶与氧化镓熔体接触。本发明的设备可通过铱金坩埚的旋转和升降控制温场的均匀和生长温度梯度，大大提高了成晶率，使氧化镓单晶质量大大提高。技术研发人员：乔印彬受保护的技术使用者：北京铭镓半导体有限公司技术研发日：技术公布日：2024/5/29