本實(shí)用新型涉及一種高頻器件應(yīng)用領(lǐng)域，主要涉及一種半絕緣SiC單晶的生長裝置。
背景技術(shù)：
作為第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料的一員，相對于常見Si和GaAs等半導(dǎo)體材料，碳化硅材料具有禁帶寬度大、載流子飽和遷移速度高，熱導(dǎo)率高、臨界擊穿場強(qiáng)高等諸多優(yōu)異的性質(zhì)?；谶@些優(yōu)良的特性，碳化硅材料是制備高溫電子器件、高頻、大功率器件更為理想的材料。特別是在極端條件和惡劣條件下應(yīng)用時(shí)，SiC器件的特性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了Si器件和GaAs器件。同時(shí)SiC另一種寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN 最好的襯底材料，使用SiC襯底制備的GaN基白光LED發(fā)光效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的Si及藍(lán)寶石襯底。
在高頻器件應(yīng)用領(lǐng)域，半絕緣SiC襯底能夠有效降低器件的介電損耗和寄生效應(yīng)，大幅降低開關(guān)損耗，因此更適宜用來制備微波器件。通常獲取半絕緣SiC單晶的方法是使用釩雜質(zhì)摻雜或使用SiC本征點(diǎn)缺陷在SiC的禁帶中引入深能級(jí)補(bǔ)償殘余的淺能級(jí)雜質(zhì)，但通常需要深能級(jí)完全補(bǔ)償淺能級(jí)雜質(zhì)時(shí)才能夠?qū)崿F(xiàn)單晶的半絕緣特性。釩元素在SiC單晶中具備有限的固溶度，通常SiC本征點(diǎn)缺陷濃度遠(yuǎn)低于釩元素的固溶度，因此為制備半絕緣SiC單晶，需要將淺能級(jí)雜質(zhì)控制在較低的濃度。氮元素是IV族化合物半導(dǎo)體SiC中的常見的施主雜質(zhì)，生長體系對空氣中氮?dú)獾奈绞巧L單晶中氮雜質(zhì)的重要來源，因此降低生長體系對氮?dú)獾奈街苽浒虢^緣單晶非常關(guān)鍵。
物理氣相傳輸方法，又稱籽晶升華法是目前最成熟的制備SiC單晶的制備方法。該方法的基本方法和原理為：粉料和籽晶分別置于石墨坩堝的頂部和底部，使用感應(yīng)加熱方法建立由籽晶指向粉料的正溫度梯度。當(dāng)溫度達(dá)到粉料的升華溫度，粉料分解為Si2C，SiC2和Si等氣相生長組分以及固態(tài)的碳?xì)埩簦瑲庀嗌L組分在溫度梯度的作用下向上輸運(yùn)至籽晶，沉積在籽晶上進(jìn)而實(shí)現(xiàn)SiC單晶的生長；并且，通常為生長半絕緣SiC單晶，在生長開始前會(huì)對生長腔進(jìn)行抽真空，目的為盡量排除爐腔內(nèi)殘余的氮?dú)?，降低單晶中的氮雜質(zhì)濃度。但是，現(xiàn)有技術(shù)中常用的物理氣相傳輸方法制備高純度SiC單晶過程中，在生長開始前會(huì)進(jìn)行抽真空處理，通常情形下生長爐爐腔腔壁溫度較低，在正式進(jìn)入生長前無法使生長爐爐腔腔壁吸附氮?dú)馔耆尫疟慌懦錾L腔。這導(dǎo)致在正式開始單晶生長時(shí)，吸附在生長爐爐腔仍存在較大的放氣率，腔壁吸附氮?dú)膺M(jìn)入生長腔，導(dǎo)致單晶中氮含量增加，導(dǎo)致半絕緣SiC單晶制備效率及成功率低下?，F(xiàn)有技術(shù)中常見的爐腔結(jié)構(gòu)，在生長開始前的抽真空處理過程中，生長爐爐腔壁均處于較低溫度的狀況，吸附在生長爐爐腔壁的氮?dú)廨^難被排出生長腔外，導(dǎo)致單晶生長開始后，生長爐爐腔壁存在較大的氮?dú)夥艢饴?，?dǎo)致單晶具有較高濃度的淺施主雜質(zhì)氮，進(jìn)而導(dǎo)致半絕緣SiC單晶的制備效率低下及制備成本居高不下。因此，如何設(shè)計(jì)出一種成本低、效率高和耗時(shí)短的半絕緣SiC單晶的生長裝置，成為目前亟需解決的難題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本實(shí)用新型提供了一種半絕緣SiC單晶的生長裝置，該裝置能夠在生長開始前的抽真空過程中，對爐腔壁進(jìn)行加熱，加速爐腔壁吸附氮?dú)獾慕馕?，使其在生長開始前被排出生長腔，降低生長開始后生長爐爐腔壁的氮?dú)夥艢饴?，從而，降低單晶中氮雜質(zhì)濃度，實(shí)現(xiàn)半絕緣SiC單晶的制備。
為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為：
一種半絕緣SiC單晶的生長裝置，其特征在于，包括：上蓋、下蓋、生長爐爐腔、石墨坩堝、保溫材料、紅外測溫儀、爐腔壁加熱裝置、感應(yīng)加熱裝置、進(jìn)氣口和出氣口，其中，所述石墨坩堝，放置在所述生長爐爐腔內(nèi)部，用于半絕緣SiC單晶的生長；所述保溫材料設(shè)置在所述生長爐爐腔與所述石墨坩堝之間，用于所述石墨坩堝的保溫處理；所述紅外測溫儀，用于測量SiC粉料的生長溫度；所述爐腔壁加熱裝置，安裝在所述生長爐爐腔的腔壁外側(cè)，用于對爐腔壁進(jìn)行加熱；所述感應(yīng)加熱裝置，安裝在所述爐腔壁加熱裝置的外側(cè)，用于對所述生長爐爐腔進(jìn)行加熱。
進(jìn)一步的，所述上蓋或/和所述下蓋中間設(shè)有測溫窗，所述設(shè)有測溫窗的上蓋或/和所述下蓋外安裝有所述紅外測溫儀，用于所述紅外測溫儀對SiC粉料的生長溫度進(jìn)行測量。
進(jìn)一步的，所述爐腔壁加熱裝置的最高加熱溫度不低于200℃。
進(jìn)一步的，還包括氣體供應(yīng)裝置，與所述進(jìn)氣口連接，用于在生長過程中向爐腔內(nèi)通入氣體。
進(jìn)一步的，還包括真空泵及壓力控制系統(tǒng)，與所述的出氣口連接，用于控制生長開始前的抽真空及生長開始后的生長壓力控制。
本實(shí)用新型的有益效果如下：
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本實(shí)用新型提供了一種半絕緣SiC單晶的生長裝置，該裝置能夠在生長開始前的抽真空過程中，對爐腔壁進(jìn)行加熱，加速爐腔壁吸附氮?dú)獾慕馕剑蛊湓谏L開始前被排出生長腔，降低生長開始后生長爐爐腔壁的氮?dú)夥艢饴?，從而，降低單晶中氮雜質(zhì)濃度，實(shí)現(xiàn)半絕緣SiC單晶的制備。
附圖說明
圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，1、爐腔壁加熱裝置，2、生長爐爐腔，3、上蓋，4、下蓋，5、上蓋的測溫窗，6、下蓋的測溫窗，7、進(jìn)氣口，8、出氣口，9、感應(yīng)加熱裝置，10、紅外測溫儀，11、籽晶，12、石墨坩堝，13、粉料，14、保溫材料。
具體實(shí)施方式
為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好地理解本實(shí)用新型的技術(shù)方案，下面結(jié)合具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。下面描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本實(shí)用新型，而不能理解為對本實(shí)用新型的限制。
針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本實(shí)用新型提供了一種半絕緣SiC單晶的生長裝置，該裝置能夠在生長開始前的抽真空過程中，對爐腔壁進(jìn)行加熱，加速爐腔壁吸附氮?dú)獾慕馕剑蛊湓谏L開始前被排出生長腔，降低生長開始后生長爐爐腔壁的氮?dú)夥艢饴?，從而，降低單晶中氮雜質(zhì)濃度，實(shí)現(xiàn)半絕緣SiC單晶的制備。
本實(shí)用新型提供了一種半絕緣SiC單晶的生長裝置，其特征在于，包括：上蓋3、下蓋4、生長爐爐腔2、石墨坩堝12、保溫材料14、紅外測溫儀10、爐腔壁加熱裝置1、感應(yīng)加熱裝置9、進(jìn)氣口7和出氣口8，其中，所述石墨坩堝，放置在所述生長爐爐腔內(nèi)部，用于半絕緣SiC單晶的生長；所述保溫材料設(shè)置在所述生長爐爐腔與所述石墨坩堝之間，用于所述石墨坩堝的保溫處理；所述紅外測溫儀，用于測量SiC粉料的生長溫度；所述爐腔壁加熱裝置，安裝在所述生長爐爐腔的腔壁外側(cè)，用于對爐腔壁進(jìn)行加熱；所述感應(yīng)加熱裝置，安裝在所述爐腔壁加熱裝置的外側(cè)，用于對所述生長爐爐腔進(jìn)行加熱。由此，該裝置能夠在生長開始前的抽真空過程中，對爐腔壁進(jìn)行加熱，加速爐腔壁吸附氮?dú)獾慕馕剑蛊湓谏L開始前被排出生長腔，降低生長開始后生長爐爐腔壁的氮?dú)夥艢饴?，從而，降低單晶中氮雜質(zhì)濃度，實(shí)現(xiàn)半絕緣SiC單晶的制備。
根據(jù)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例，如圖1所示，本實(shí)用新型提供的半絕緣SiC單晶的生長裝置包括所述紅外測溫儀，用于測量SiC粉料的生長溫度。所述紅外測溫儀的安裝位置不受具體限制，只要能夠準(zhǔn)確測量SiC粉料的生長溫度即可。根據(jù)本實(shí)用新型具體的一些實(shí)施例，當(dāng)所述上蓋中間設(shè)有測溫窗5時(shí)，所述紅外測溫儀安裝在所述設(shè)有測溫窗的上蓋外，用于所述紅外測溫儀對SiC粉料的生長溫度進(jìn)行測量；當(dāng)所述下蓋中間設(shè)有測溫窗6時(shí)，所述紅外測溫儀安裝在所述設(shè)有測溫窗的下蓋外，用于所述紅外測溫儀對SiC粉料的生長溫度進(jìn)行測量；當(dāng)所述上蓋和下蓋中間均設(shè)有測溫窗（即上蓋的測溫窗5和下蓋的測溫窗6）時(shí)，所述紅外測溫儀安裝在所述設(shè)有測溫窗的上蓋和下蓋外，用于所述紅外測溫儀對SiC粉料的生長溫度進(jìn)行測量。
根據(jù)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例，如圖1所示，所述爐腔壁加熱裝置，用于對爐腔壁進(jìn)行加熱。根據(jù)本實(shí)用新型具體的一些實(shí)施例，所述爐腔壁加熱裝置安裝在所述生長爐爐腔的腔壁外側(cè)，以便于對所述爐腔壁進(jìn)行直接加熱。進(jìn)一步的，所述爐腔壁加熱裝置的最高加熱溫度不低于200℃。由此，該裝置能夠在生長開始前的抽真空過程中，對爐腔壁進(jìn)行加熱，加速爐腔壁吸附氮?dú)獾慕馕剑蛊湓谏L開始前被排出生長腔，降低生長開始后生長爐爐腔壁的氮?dú)夥艢饴?，從而，降低單晶中氮雜質(zhì)濃度，實(shí)現(xiàn)半絕緣SiC單晶的制備。
根據(jù)本實(shí)用新型的具體實(shí)施例，還包括氣體供應(yīng)裝置和真空泵及壓力控制系統(tǒng)。根據(jù)本實(shí)用新型具體的一些實(shí)施例，所述氣體供應(yīng)裝置，與所述進(jìn)氣口連接，用于在生長過程中向爐腔內(nèi)通入氣體。進(jìn)一步的，所述氣體供應(yīng)裝置可以為氬氣供應(yīng)裝置，用于在生長過程中向爐腔內(nèi)通入氬氣。根據(jù)本實(shí)用新型具體的一些實(shí)施例，所述真空泵及壓力控制系統(tǒng)，與所述的出氣口連接，用于控制生長開始前的抽真空及生長開始后的生長壓力控制。進(jìn)一步的，所述真空泵及壓力控制系統(tǒng)可以為由機(jī)械泵、分子泵以及節(jié)流閥構(gòu)成的真空和控壓系統(tǒng)，用于控制生長開始前的抽真空及生長開始后的生長壓力控制。由此，該裝置能夠在生長開始前的抽真空及生長開始后的生長壓力控制。
本實(shí)用新型提供了一種半絕緣SiC單晶的生長裝置，其使用過程如下所述：（1）將石墨坩堝12（包含籽晶11以及粉料13）以及石墨保溫材料14（優(yōu)選的，所述石墨保溫材料為石墨保溫氈14）氈置于生長爐腔中；（2）在SiC粉料生長開始前，開啟真空泵及壓力控制系統(tǒng)，對爐腔進(jìn)行抽真空，并開啟爐腔壁加熱裝置對爐腔壁進(jìn)行加熱，加熱至250℃，維持20小時(shí)；（3）關(guān)閉爐腔壁加熱裝置，開始執(zhí)行單晶生長工藝，進(jìn)行高純半絕緣SiC單晶生長。其中，上述步驟2的過程中，通過爐腔壁加熱裝置對爐腔壁進(jìn)行加熱，爐腔壁吸附氮?dú)饪焖俳馕?，被真空泵及壓力控制系統(tǒng)抽出爐腔，降低了步驟3過程中的生長單晶中氮濃度，有利于半絕緣單晶的制備。由此，該裝置能夠在生長開始前的抽真空過程中，對爐腔壁進(jìn)行加熱，加速爐腔壁吸附氮?dú)獾慕馕剑蛊湓谏L開始前被排出生長腔，降低生長開始后生長爐爐腔壁的氮?dú)夥艢饴剩瑥亩?，降低單晶中氮雜質(zhì)濃度，實(shí)現(xiàn)半絕緣SiC單晶的制備。
在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示意性實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本實(shí)用新型的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。
盡管已經(jīng)示出和描述了本實(shí)用新型的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本實(shí)用新型的原理和宗旨的情況下可以對這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本實(shí)用新型的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。