[发明专利]一种用于多元化合物晶体生长的设备及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种晶体生长技术，具体涉及一种用于多元化合物晶体生长的设备及其应用。

背景技术

布里奇曼晶体生长方法是近年来人们在探索新型半导体晶体材料生长方法初期所广泛采用的方法。由于该方法工艺简单，可无需籽晶的引导，同时晶体在密闭的安瓿中生长，不易受环境污染等优点，布里奇曼晶体生长法成为目前人们在探索熔体法生长新型晶体初期的首要选择。

在长期的研究实践中，人们通过对该方法进行不同程度地改进，实现了对不同类型晶体的生长，得到了多种可以满足国民生产需求的新型晶体，如砷化镓、硫镓银、硒镓银、磷锗锌。

布里奇曼晶体生长方法主要分为垂直布里奇曼和水平布里奇曼两种方法。其基本思路都是将生长晶体的多晶原料封装在一个特定设计的生长安瓿内，先在高温下将多晶原料熔融，然后再缓慢移动生长安瓿到低温段，在移动过程中，安瓿内的多晶熔体开始结晶并逐渐长大，当整个安瓿全部移动至低温段后，晶体生长结束。通常情况下，晶体在生长过程中都具有一定的排杂功能。特别是在一些多元化合物晶体的生长过程中，其排杂功能引起的组分偏析造成的化学计量比不均匀往往是影响晶体实际应用的一个关键因素。

为了改善所生长晶体的均匀性，人们普遍采用的方法有两种，一是通过旋转安瓿来加快熔体内部的传质，降低排杂组分的聚集；二是通过实时给料的方式进行晶体生长，即根据晶体生长的速率来不断补充多晶原料的数量，降低了固液界面处的熔体厚度。通过旋转安瓿的方式虽然可以实现熔体中的组分处于一个相对均匀的状态，但由于晶体在生长过程中排出的组分仍然会往熔体中聚集，因此无法从根本上解决组分偏析造成的均匀性问题。而通过实时给料的方式来生长，由于固液界面以上的熔体厚度很薄，组分偏析所能作用的范围也就很小，因此可以从根本上改善所生长晶体的均匀性。

但是实时给料由于涉及到给料系统与生长系统的匹配问题，还有整个环境的密闭问题，因此实际使用起来并不是一件容易的事。传统的布里奇曼生长方法由于熔体和晶体都处于同一安瓿内，通过定向凝固的方式来实现晶体的生长，无法满足实时给料的方式生长。

发明内容

[要解决的技术问题]

本发明的目的是解决传统布里奇曼晶体生长过程中因组分偏析造成的组分均匀性差及其上述问题，提供了一种晶体生长过程中实时给料的晶体生长用设备及其应用。

[技术方案]

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

本发明设计了一种可以在生长过程中实现实时给料的布里奇曼生长方法。该方法可根据单晶生长过程中消耗的多晶原料的量来进行实时补充，使生长界面以上的熔体数量保持在一个较少的水平，减小组分偏析所能影响的范围。

一种用于多元化合物晶体生长的设备，它包括炉体、提拉装置和生长安瓿，所述炉体内设有炉管，并且炉体的中心轴与炉管的中心轴重合，炉体与炉管之间覆盖一层炉内保温层，所述炉内保温层内嵌入加热元件，并且加热元件靠近炉管；所述生长安瓿与提拉装置通过提拉线连接，生长安瓿在提拉装置的牵引下在炉管内上下移动，所述生长安瓿从上往下依次为挂钩、主体部位、放肩部位和籽晶袋；所述的挂钩置于主体部位的顶部居中并连接提拉线使生长安瓿与提拉装置连接；所述主体部位的柱内径从上至下逐渐变小；所述籽晶袋为下部密封的圆柱体，所述放肩部位和籽晶袋的组合形似漏斗；所述的加热元件使炉管内从上至下分为上炉低温区、中炉高温区和下炉低温区。

根据本发明的一个优选实施方式，所述主体部位的上半部分用于放置与其形状大小一致的多晶料柱，该多晶料柱并未填满主体部位的上半部分；所述籽晶袋用于装满籽晶。

根据本发明的另一个优选实施方式，所述放肩部位的柱内径从与主体部位底部的柱内径一样大小逐渐减小到与籽晶袋的柱内径一样大小。

根据本发明的另一个优选实施方式，所述上炉低温区的温度从上到下呈逐渐升高的趋势，该上炉低温区的温度低于所用多元化合物晶体的熔点。

根据本发明的另一个优选实施方式，所述下炉低温区的温度从上到下呈逐渐下降的趋势，该下炉低温区的温度低于所用多元化合物晶体的熔点。

根据本发明的另一个优选实施方式，所述中炉高温区的温度从上到下呈先升高后下降的趋势，该中炉高温区的温度高于所用多元化合物晶体的熔点；所述中炉高温区的区域大小与所述多晶料柱下端到籽晶上端之间的区域一致。

根据本发明的另一个优选实施方式，所述生长安瓿由高纯石英或热解氮化硼制备而成。

所述的设备应用于多元化合物晶体生长的方法，该方法包括以下步骤：