本申請(qǐng)涉及半導(dǎo)體材料制備，具體涉及一種多步法生長(zhǎng)氧化鎵晶體的裝置和方法。

背景技術(shù)：

1、氧化鎵(ga2o3)是一種優(yōu)異的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，禁帶寬度為4.2-5.3ev(不同晶體結(jié)構(gòu)各向異性的表現(xiàn))，最穩(wěn)定相為單斜晶系β-ga2o3結(jié)構(gòu)。相比于其他主流半導(dǎo)體材料，β-ga2o3(以下簡(jiǎn)稱為ga2o3)具有獨(dú)特的物理性質(zhì)。除了具有優(yōu)異的化學(xué)和熱穩(wěn)定性之外，還具有很高的紫外可見光透過率，同時(shí)該材料很容易獲得優(yōu)良的n型導(dǎo)電性，可以同時(shí)滿足透明導(dǎo)電電極所需的良好的電導(dǎo)率和高光學(xué)透過率的要求。另外，由于該材料的帶隙較大，因此具有較大的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度，比常見的寬禁帶半導(dǎo)體sic和gan高出1倍以上。除了具有耐高壓特性之外，ga2o3的導(dǎo)通電阻理論值很低，使得ga2o3基單極器件在相同電壓下的導(dǎo)通損耗會(huì)比sic和gan器件低一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，進(jìn)而能顯著提高mosfet等器件的工作效率。上述的優(yōu)點(diǎn)使得ga2o3基器件在高壓電子器件領(lǐng)域具有廣闊的研究和開發(fā)前景。

2、導(dǎo)模法目前是氧化鎵晶體生長(zhǎng)的主流商業(yè)技術(shù)，但鑒于該技術(shù)路線存在投入大、成本高、出片率低等不足，業(yè)界已開始探索新的技術(shù)路徑。近年來，下降法在生長(zhǎng)氧化鎵晶體方面逐漸嶄露頭角，它在降低成本、提高出片率方面展現(xiàn)出巨大的潛力。不過傳統(tǒng)的下降法是通過坩堝位置的下降來實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)的，由于向下移動(dòng)的速度不變，隨著晶體的不斷生長(zhǎng)，向下的導(dǎo)熱性會(huì)變差，導(dǎo)致長(zhǎng)晶溫度梯度產(chǎn)生變化，對(duì)晶體質(zhì)量產(chǎn)生影響。另外，傳統(tǒng)下降法需要設(shè)備在最高溫度下(1805℃以上)保持幾十甚至上百個(gè)小時(shí)，這對(duì)高溫加熱元件是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

3、氧氣氛下的高溫加熱元件一般由硅鉬材料制成，硅鉬棒電熱元件是一種以二硅化鉬為基礎(chǔ)制成的耐高溫、抗氧化的電阻加熱元件，它可以在1750℃溫度下長(zhǎng)時(shí)間使用，自身溫度一旦超過1800℃，壽命就會(huì)顯著下降。而熔化氧化鎵材料爐膛溫度需要超過1805℃，此時(shí)加熱元件自身溫度需要1810℃甚至更高(與爐膛大小和加熱元件的數(shù)量有關(guān))。因此，開發(fā)新的工藝路徑，在保證晶體質(zhì)量的前提下，盡可能地延長(zhǎng)晶體爐加熱元件的使用壽命，已經(jīng)成為下降法今后主要的研究方向。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決本領(lǐng)域存在的上述不足，本申請(qǐng)旨在提供一種多步法生長(zhǎng)氧化鎵晶體的裝置和方法。通過精準(zhǔn)控制生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶體生長(zhǎng)過程的精細(xì)化管理。

2、根據(jù)本申請(qǐng)的一方面，提供一種多步法生長(zhǎng)氧化鎵晶體的裝置，包括：

3、坩堝；

4、溫控結(jié)構(gòu)，包括置于坩堝四周的加熱元件和多組隔熱擋板，隔熱擋板位于加熱元件下方，每組隔熱擋板之間具有間距；

5、升降結(jié)構(gòu)，包括用于支撐坩堝的坩堝底托和連接于坩堝底托使坩堝上下移動(dòng)的升降裝置；以及

6、氣氛控制結(jié)構(gòu)，通過升降裝置與隔熱擋板之間的間隙控制爐內(nèi)氣氛。

7、根據(jù)本申請(qǐng)的一些實(shí)施例，該裝置還包括爐罩，罩于坩堝、溫控結(jié)構(gòu)以及升降結(jié)構(gòu)的外部；

8、根據(jù)本申請(qǐng)的一些實(shí)施例，爐罩內(nèi)部設(shè)有隔熱材料；

9、根據(jù)本申請(qǐng)的一些實(shí)施例，隔熱材料為輕質(zhì)氧化鋯耐熱材料。

10、根據(jù)本申請(qǐng)的一些實(shí)施例，隔熱擋板材料為氧化鋁空心球材料。

11、根據(jù)本申請(qǐng)的一些實(shí)施例，坩堝底部設(shè)有籽晶槽，頂部具有坩堝蓋。

12、根據(jù)本申請(qǐng)的一些實(shí)施例，坩堝蓋的材料為氧化鋁纖維；

13、根據(jù)本申請(qǐng)的一些實(shí)施例，坩堝底托的材料為氧化鋁材料。

14、根據(jù)本申請(qǐng)的一些實(shí)施例，升降裝置的升降速度為0.1-100mm/h。

15、根據(jù)本申請(qǐng)的另一方面，還提供一種采用上述的裝置采用多步法生長(zhǎng)氧化鎵晶體的方法，包括：

16、向坩堝中裝入籽晶及氧化鎵填料，啟動(dòng)升降裝置將坩堝移動(dòng)至加熱元件內(nèi)，關(guān)閉升降裝置；

17、啟動(dòng)加熱元件升高爐內(nèi)溫度，使氧化鎵填料全部熔化；

18、啟動(dòng)升降裝置，使坩堝向下移動(dòng)并控制降溫速率，直至氧化鎵熔體全部結(jié)晶；

19、使結(jié)晶物冷卻、退火，得氧化鎵晶體。

20、根據(jù)本申請(qǐng)的一些實(shí)施例，啟動(dòng)所述升降裝置，使坩堝向下移動(dòng)并控制降溫速率，直至氧化鎵熔體全部結(jié)晶包括：

21、第一步：保持爐溫1800℃不變，控制坩堝以1-2mm/h的速度下降5-10mm，然后再以1-2℃/h的速率降溫5-10h；

22、第二步：保持第一步最后的爐溫不變，控制坩堝以2-5mm/h的速度下降5-10mm，再以2-10℃/h的速率降溫2-5h；

23、重復(fù)所述第二步，使所述坩堝下降距離大于30mm，爐溫低于1775℃，直至氧化鎵熔體全部結(jié)晶。

24、根據(jù)本申請(qǐng)的一些實(shí)施例，使結(jié)晶冷卻包括：以為30-60℃/h降溫至1200℃后隨爐冷卻。

25、根據(jù)本申請(qǐng)的一些實(shí)施例，在氧氣和氬氣的氣氛下生長(zhǎng)氧化鎵晶體；

26、根據(jù)本申請(qǐng)的一些實(shí)施例，氧氣和氬氣的分壓比為1:4；

27、根據(jù)本申請(qǐng)的一些實(shí)施例，退火為1200-1300℃處理2-3h。

28、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本申請(qǐng)至少包括如下有益效果：

29、本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N多步法生長(zhǎng)氧化鎵晶體的裝置該裝置在坩堝及升降裝置兩側(cè)設(shè)有隔熱擋板，可精細(xì)控制晶體降溫。

30、利用本申請(qǐng)的裝置通過多步法生長(zhǎng)氧化鎵晶體，精準(zhǔn)控制生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶體生長(zhǎng)過程的精細(xì)化管理。通過多步調(diào)整位置參數(shù)，采用溫降的方法使晶體在更加穩(wěn)定的環(huán)境下生長(zhǎng)，可有效降低晶體內(nèi)部的缺陷密度，從而提高了晶體的純度和完整性。

31、本申請(qǐng)的多步法通過優(yōu)化生長(zhǎng)條件減少了設(shè)備在高溫下的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，加熱元件(發(fā)熱體)壽命增加，同時(shí)也減少了能源消耗。多步法還具備更強(qiáng)的適應(yīng)性，可以靈活地調(diào)整生長(zhǎng)參數(shù)，從而生產(chǎn)出符合特定要求的氧化鎵晶體。

技術(shù)特征：

1.一種多步法生長(zhǎng)氧化鎵晶體的裝置，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，還包括爐罩，罩于所述坩堝、所述溫控結(jié)構(gòu)以及所述升降結(jié)構(gòu)的外部；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述隔熱擋板材料為氧化鋁空心球材料。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述坩堝底部設(shè)有籽晶槽，頂部具有坩堝蓋。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述坩堝蓋的材料為氧化鋁纖維；所述坩堝底托的材料為氧化鋁材料。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述升降裝置的升降速度為0.1-100mm/h。

7.一種采用權(quán)利要求1-6中任一所述的裝置采用多步法生長(zhǎng)氧化鎵晶體的方法，其特征在于，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，啟動(dòng)所述升降裝置，使所述坩堝向下移動(dòng)并控制降溫速率，直至氧化鎵熔體全部結(jié)晶包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述使結(jié)晶冷卻包括：以為30-60℃/h降溫至1200℃后隨爐冷卻。

10.根據(jù)權(quán)利要求7-9任一所述的方法，其特征在于，在氧氣和氬氣的氣氛下生長(zhǎng)所述氧化鎵晶體；

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)公開一種多步法生長(zhǎng)氧化鎵晶體的裝置和方法，包括：坩堝；溫控結(jié)構(gòu)，包括置于坩堝四周的加熱元件和多組隔熱擋板，隔熱擋板位于加熱元件下方，每組隔熱擋板之間具有間距；升降結(jié)構(gòu)，包括用于支撐坩堝的坩堝底托和連接于坩堝底托使坩堝上下移動(dòng)的升降裝置；以及氣氛控制結(jié)構(gòu)，通過升降裝置與隔熱擋板之間的間隙控制爐內(nèi)氣氛。利用本申請(qǐng)的裝置通過多步法生長(zhǎng)氧化鎵晶體，精準(zhǔn)控制生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)了對(duì)晶體生長(zhǎng)過程的精細(xì)化管理。通過多步調(diào)整位置參數(shù)，采用溫降的方法使晶體在更加穩(wěn)定的環(huán)境下生長(zhǎng)，可有效降低晶體內(nèi)部的缺陷密度，從而提高了晶體的純度和完整性。

技術(shù)研發(fā)人員：李龍,宮學(xué)源,陸勝文
受保護(hù)的技術(shù)使用者：北京鎵創(chuàng)科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/28