多元化合物半導體單晶的生長裝置的製作方法

2023-04-27 23:38:51

專利名稱：多元化合物半導體單晶的生長裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種採用坩堝下降法製備多元化合物半導體單晶的生長裝置。 技術背景多元化合物半導體單晶，例如ZnGeP2、 CdGeAs2、 AgGaS2、 AgGaSe2、 AgGa卜xInxSe2、 Cd^ZrixTe等，由於具有優異的紅外非線性光學性能或室溫核輻射探測性能，可在中遠 紅外波段的頻率轉換和室溫核輻射探測領域廣泛應用。但是這些化合物組分多，熔點差 別大，飽和蒸汽壓差別大，高溫下易分解，加之熔體粘滯係數大，低溫下還會產生脫溶 分解析出第二相；尤其是結晶過程中，由於組成化合物各組元物質的分凝係數不同，加 之固體與熔體的導熱性能差別大，隨著晶體生長過程中固一液量的變化，會使結晶區的溫場發生變化，導致固一液界面發生漂移，很難維持晶體生長所需的平(或微凸)界面 生長。所以，通常的兩溫區加熱爐很難獲得完整性好的化合物半導體單晶。 發明內容本實用新型的目的在於克服現有技術的不足，提供一種多元化合物半導體單晶的生 長裝置，使用該生長裝置，採用坩堝下降法可成功生長出外觀完整，結晶性能好的多種 多元化合物半導體單晶體。本實用新型針對多元化合物半導體單晶生長的技術難點，設計出一種含有可移動下 爐加熱器及含有中部輔助加熱器的單晶生長裝置，它可以靈活根據多元化合物的結晶習 性，實現對結晶溫度梯度區的溫場調節，獲得化合物單晶生長所需的窄溫區、大溫梯的結晶溫場分布，維持固一液界面的穩定，實現單晶體的平界面生長。本實用新型所述多元化合物半導體單晶生長裝置，包括爐體、各自獨立加熱控溫的 上爐加熱器、輔助加熱器和下爐加熱器，上爐加熱器和輔助加熱器的發熱體沿爐體的軸 向自上而下依次安裝在爐體上，下爐加熱器的發熱組裝體安裝在下部升降機構上，其主體伸入爐體並位於輔助加熱器的發熱體之下；在輔助加熱器的發熱體分布區/2，自下而上重疊安裝了由下層導熱環、中層導熱環和上層保溫隔熱環組成的複合保溫隔熱層，下 層導熱環、中層導熱環和上層保溫隔熱環的內徑與多元化合物半導體單晶生長坩堝的外形尺寸相匹配；輔助加熱器的控溫熱偶安裝在上層保溫隔熱環與中層導熱環之間，上爐 加熱器的控溫熱偶安裝在上爐加熱器發熱體的下端，下爐加熱器的控溫熱偶安裝在下爐 加熱器發熱體的上端，上爐溫度監測熱偶安裝在上爐加熱器發熱體分布區//的中部。上 爐加熱器的控溫熱偶與下爐加熱器的控溫熱偶之間的區域為結晶溫度梯度區，操作下部 升降機構，使下爐加熱器的發熱組裝體沿爐體的軸向上下移動，即可改變結晶溫度梯度 區的寬度。上層保溫隔熱環的作用是阻擋上爐高溫區的熱量向梯度區的輻射、對流和傳導，以 減小高溫區的溫差，維持溫場的穩定；中層導熱環和下層導熱環的作用是形成導熱通道， 通過導走部分熱量來形成生長化合物晶體所需的大溫梯。因此，下層導熱環的外徑大於 中層導熱環和上層保溫隔熱環的外徑，且下層導熱環與爐體的保溫隔熱層相接。輔助加熱器的增設，有助於穩定固一液界面。實驗表明，輔助加熱器的發熱體分布 區/2的長度以8cm 12cm為宜。本實用新型具有以下有益效果1、 通過下爐加熱器發熱組裝體的升降調節，可以靈活地調節結晶溫度梯度區的寬 度；同時將上、下爐的控溫點由通常的加熱器發熱體中部移至結晶溫度梯度區的上、下 邊緣，避免了因結晶過程中固、熔體量的改變而導致的傳熱性能改變(因為Ks、 K/差 別較大)。2、 採用三層複合保溫隔熱層，有助於在維持上爐髙溫區較小的AT的同時，在結晶 溫度梯度區產生較大的溫差，從而將固-液界面的生長過程壓縮在一個較狹窄的區域內。3、 在結晶溫度梯度區內增設了短區間分布的輔助加熱器發熱體，其控溫點設置在 上層保溫隔熱環與中層導熱環之間的固-液界面處，有助於穩定固一液界面，使其不漂 移，同時也可進一步調節結晶溫度梯度區的溫場分布，形成窄溫區、大梯度的溫度場， 該溫度場能夠減小在結晶過程中的晶體成分偏析。4、 通過在固一液界面設置控溫熱偶，可實時了解並監控固一液界面的移動過程， 相當於間接觀察到固一液界面的移動過程，有助於控制完整單晶的生長。

圖1是本實用新型所述晶體生長裝置的結構簡圖及晶體生長階段固一液界面所處位 置的示意圖；圖2是本實用新型所述晶體生長爐的溫場分布圖；圖3是本實用新型所述裝置製備的CdGeAs2單晶體(101 )面的X射線多級衍射譜; 圖4是本實用新型所述裝置製備的CdGeAs2單晶體(303)面的X射線衍射搖擺譜。
圖中，l一爐體、2—上爐加熱器的發熱體、3—上爐溫度監測熱偶、4一上爐加熱器 的控溫熱偶、5—輔助加熱器的發熱體、6—上層保溫隔熱環、7—輔助加熱器的控溫熱 偶、8—中層導熱環、9~下層導熱環、IO—下爐加熱器的控溫熱偶、ll一下爐加熱器的 發熱組裝體、12—下部升降機構、13—上部升降機構、14一坩堝、15—固—液界面、/; 一上爐加熱器的發熱體分布區、/2 —輔助加熱器的發熱體分布區、/3 —下爐加熱器的 發熱體分布區。
具體實施方式
實施例l:多元化合物半導體單晶生長裝置本實施例中，多元化合物半導體單晶生長裝置的結構如圖1所示，包括爐體l、各 自獨立加熱控溫的上爐加熱器、輔助加熱器、下爐加熱器、上爐溫度監測儀、下層導熱 環9、中層導熱環8、上層保溫隔熱環6、下部升降機構12、上部升降機構13。上爐加熱器的發熱體2和輔助加熱器的發熱體5沿爐體的軸向自上而下依次安裝在 爐體上，下爐加熱器的發熱組裝體11安裝在下部升降機構12上，其主體伸入爐體並位於輔助加熱器的發熱體之下；上層保溫隔熱環6由保溫隔熱棉製作，中層導熱環8由剛玉製作，下層導熱環9由 水泥石棉板製作；下層導熱環9、中層導熱環8和上層保溫隔熱環6的內徑與多元化合 物半導體單晶生長坩堝的外形尺寸相匹配，下層導熱環9、中層導熱環8和上層保溫隔 熱環6的厚度之和小於輔助加熱器發熱體分布區6， 6的長度為8cm;下層導熱環9、 中層導熱環8和上層保溫隔熱環6組成的複合保溫隔熱層以輔助加熱器發熱體分布區/2 的下端為基準，自下而上重疊安裝；下層導熱環9的外徑大於中層導熱環8和上層保溫 隔熱環6的外徑，且下層導熱環9與爐體的保溫隔熱層相接。輔助加熱器的控溫熱偶7安裝在上層保溫隔熱環6與中層導熱環8之間，輔助加熱 器的控溫熱偶7處為晶體生長階段固一液界面所處位置；上爐加熱器的控溫熱偶4安裝 在上爐加熱器發熱體的下端，下爐加熱器的控溫熱偶IO安裝下爐加熱器發熱體的上端， 上爐加熱器的控溫熱偶與下爐加熱器的控溫熱偶之間的區域為結晶溫度梯度區；上爐溫 度監測熱偶3安裝在上爐加熱器發熱體分布區的中部。上部升降機構13安裝在爐體頂部之上，用於控制石英坩堝14的升降。實施例2: CdGeAs2單晶體的製備本實施例中，以CdGeAs2多晶體粉末為原料，以石英坩堝為生長容器，使用實施 例1所述的晶體生長裝置，依次包括以下工藝步驟
(D清潔坩堝清潔坩堝採用綜合清洗與真空烘烤相結合的工藝，首先用自來水浸溼衝洗塒堝內壁，然後注入氫氟酸洗液浸泡3分鐘，再用自來水衝洗至中性，最後置於超聲波清洗槽 中振蕩清洗8分鐘並用高阻去離子水反覆衝洗，將清洗好的安瓿置於真空烘箱中，溫度 控制在130'C，烘烤時間為3.5小時；② 裝料並除氣封結將30g左右CdGeAs2多晶粉末裝入清潔後的坩堝內，然後在室溫抽空除氣，當鉗堝 內的氣壓降至10'spa下用氫氧焰封結，③ 晶體生長A將封結後的坩堝放入單晶生長爐內，讓坩堝尖部位於上爐加熱器的控溫熱偶之上 3cm處，將上爐以2'C/min的速率升溫至730'C,下爐以同樣速率升溫至500'C，輔助 加熱器的控制溫度為CdGeAs2的熔點654°C ，保溫36小時，B、上述保溫結束後，以10mm/h的速率下降坩堝尖部至輔助加熱器的控溫熱偶7 處，保溫4小時後以0.2皿/11的速率下降坩堝開始晶體生長，經過2周左右時間，讓 熔體全部移動通過固一液界面； ④退火與冷卻完成單晶體生長後將柑堝下降至下爐等溫區退火72小時，然後斷電，讓晶錠隨爐 冷卻至室溫後取出。本實施例所製備的CdGeAs2單晶體(101)面的X射線多級衍射譜見圖3， CdGeAs2 單晶體(303)面的搖擺譜見圖4，可見晶體的結晶性好。
權利要求1、一種多元化合物半導體單晶的生長裝置，包括爐體(1)，其特徵在於還包括各自獨立加熱控溫的上爐加熱器、輔助加熱器和下爐加熱器，上爐加熱器和輔助加熱器的發熱體(2)(5)沿爐體的軸向自上而下依次安裝在爐體上，下爐加熱器的發熱組裝體(11)安裝在下部升降機構(12)上，其主體伸入爐體並位於輔助加熱器的發熱體之下，在輔助加熱器的發熱體分布區l2，自下而上重疊安裝了由下層導熱環(9)、中層導熱環(8)和上層保溫隔熱環(6)組成的複合保溫隔熱層，下層導熱環(9)、中層導熱環(8)和上層保溫隔熱環(6)的內徑與多元化合物半導體單晶生長坩堝的外形尺寸相匹配，輔助加熱器的控溫熱偶(7)安裝在上層保溫隔熱環(6)與中層導熱環(8)之間，上爐加熱器的控溫熱偶(4)安裝在上爐加熱器發熱體的下端，下爐加熱器的控溫熱偶(10)安裝下爐加熱器發熱體的上端，上爐溫度監測熱偶(3)安裝在上爐加熱器發熱體分布區l1的中部。
2、 根據權利要求1所述的多元化合物半導體單晶生長裝置，其特徵在於下層導熱 環(9)的外徑大於中層導熱環(8)和上層保溫隔熱環(6)的外徑，且下層導熱環(9) 與爐體的保溫隔熱層相接。
3、 根據權利要求1或2所述的多元化合物半導體單晶生長裝置，其特徵在於上層 保溫隔熱環(6)由保溫隔熱棉製作，中層導熱環(8)由剛玉製作，下層導熱環(9) 由水泥石棉板製作。
4、 根據權利要求1或2所述的多元化合物半導體單晶生長裝置，其特徵在於輔助 加熱器的發熱體分布區6的長度為8cm 12cm。
5、 根據權利要求3所述的多元化合物半導體單晶生長裝置，其特徵在於輔助加熱 器的發熱體分布區6的長度為8cm 12cm。
專利摘要一種多元化合物半導體單晶的生長裝置，包括爐體、各自獨立加熱控溫的上爐加熱器、輔助加熱器和下爐加熱器；上爐加熱器和輔助加熱器的發熱體沿爐體的軸向自上而下依次安裝在爐體上，下爐加熱器的發熱組裝體安裝在下部升降機構上，其主體伸入爐體並位於輔助加熱器的發熱體之下；在輔助加熱器的發熱體分布區l2，自下而上重疊安裝了由下層導熱環、中層導熱環和上層保溫隔熱環組成的複合保溫隔熱層；輔助加熱器的控溫熱偶安裝在上層保溫隔熱環與中層導熱環之間，上爐加熱器的控溫熱偶安裝在上爐加熱器發熱體的下端，下爐加熱器的控溫熱偶安裝在下爐加熱器發熱體的上端，上爐溫度監測熱偶安裝在上爐加熱器發熱體分布區l1的中部。
文檔編號C30B28/00GK201031264SQ200720079478
公開日2008年3月5日 申請日期2007年5月9日 優先權日2007年5月9日
發明者何知宇, 朱世富, 趙北君, 陳觀雄 申請人:四川大學