[发明专利]一种适用于PVT法生长SiC晶体系统的测温结构

说明书

技术领域

本发明涉及SiC晶体生长过程的测温，具体涉及一种适用于物理气相输运法（physical vapor transportation，PVT）生长SiC晶体系统的测温结构。

背景技术

SiC晶体作为第三代半导体材料，具有硬度高（仅次于金刚石）、热导率高、热膨胀系数低、禁带宽度大、饱和漂移速度高，临界击穿场强大、化学稳定性高、抗辐射能力强等一系列优点，同时其与GaN的晶格常数失配度小，更适合用作GaN外延生长的衬底材料。优异的性能使得SiC晶体在航空航天、信息技术、LED照明器件外延基底等民用及国防安全领域具有广泛的应用前景。

SiC晶体生长通常采用物理气相输运法，其基本原理如图1所示。SiC晶体生长通常利用感应加热炉，晶体在石墨坩埚内生长，将SiC原料置于生长室下部，籽晶固定在生长室顶部，固定籽晶的部分通常被称为籽晶托。石墨坩埚被保温材料包围，以使坩埚容易升高到生长所需温度。在生长过程中通过控制生长室的温度和压力条件，使SiC原料从坩埚下部升华，上升至籽晶上进行堆积生长，最终获得SiC单晶。

SiC晶体具有上百种多型，其中4H、6H晶型被认为具有更为有优异的性能，且容易获得单一多型，因此，目前的研究多围绕4H或6H晶体，人们期望在一定的生长条件和工艺技术下获得高质量的4H或6H晶体。但是SiC晶体的PVT生长方法是一个复杂的原料气相组分升华、输运、结晶的过程，受温度、压力、温场分布和原料纯度等众多因素影响，众多SiC多型的形成条件往往相互交叉，这使得单一多型的SiC晶体生长难度很大。在众多影响因素中，温度条件具有十分重要的影响。在如图1所示的SiC晶体生长条件中，随着生长过程的进行，升华的气相组分往往会在保温材料的测温孔周边凝结，在生长过程的中后期，往往造成测温孔堵塞，不能准确控制生长温度，而且，测温孔堵塞也使得生长系统的顶部散热状况受到影响，使得生长系统的温度梯度发生改变。不能准确测温和影响生长系统的温度梯度不利于单一多型高质量SiC晶体的生长，因此，改进生长条件十分必要。

发明内容

面对现有技术存在的上述问题，本发明人公开一种适用于PVT法生长SiC晶体系统的测温结构，所述系统具有用坩埚围成的晶体生长用晶体生长室，配置于生长室室内顶部的籽晶托，和在所述晶体生长室外围的保温层；所述的测温结构包括设置于生长室顶部的籽晶托上方的保温层上并能够通过其利用高温红外测温计测量晶体生长室内温度的开孔；以及插通所述开孔形成于籽晶托上的测温管。

本发明的测温结构，基于PVT法生长SiC晶体系统，能够解决生长过程中测温孔堵塞，影响生长系统温度梯度的问题。本发明的测温结构可以在晶体生长过程中准确测量坩埚顶部温度，从而实现精确控温，并且避免测温孔堵塞导致的温度梯度变化，提高晶体生长的成品率。

本发明的测温管，优选采用不低于2500℃的耐高温材料制成。例如石墨材料，或者钽等高温材料。优选采用高纯、高致密度的高质量石墨材料。更优选地，测温管与籽晶托为同材质，采用相同材质的耐高温材料可以更准确地测量生长室内的晶体生长温度。晶体生长过程中的温度是一个动态变化的准静态量，由于不同的材质具有不同的导热率，测温管和籽晶托采用不同材质时，其导热率的差异对测温结果存在潜在的不利影响，从而影响精确控温；而当两者采用同一材质时，不存在导热率差异导致的问题，故更有利于准确测量温度值。

优选地使所述测温管高于保温层或与保温层顶部齐平。更优选地使所述测温管高出保温层的高度不大于10mm。测温管顶部与保温层齐平或略高于保温层顶部，可以有效避免晶体生长过程中，升华的气相组分在测温顶端凝结长大或凝结后落入测温管，以致影响测温效果。另外，配合保温结构设计，调节测温管的长度，也可以优化生长系统的温度场。测温管除了有利于准确测量系统温度，同时也可用于调节系统温度场。

关于测温管与籽晶托的固定，可以使在籽晶托上方中心位置设置与保温管外围尺寸配合的有底孔，然后将测温管插入并固定在籽晶托上方设置的有底中心孔内。也可以使在籽晶托上方中心位置设置与保温管内径配合的凸台，然后将测温管套合并固定在籽晶托上方设置的凸台上。