本發明涉及單晶制備技術領域，尤其涉及一種14吋砷化鎵單晶爐及其拉1-13根單晶生長方法。

背景技術：

砷化鎵(gallium arsenide)，屬Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體，具有高頻率、高電子遷移率、高輸出功率、低噪音以及線性度良好等優越特性。主要涉及高端軍事電子應用、光纖通信系統、寬帶衛星無線通信系統、測試儀器、汽車電子、激光、照明等領域。作為重要的半導體材料，GaAs的電子遷移率為硅和氮化鎵的5倍，用于中小功率微波器件具有更低的功率損耗，因此在手機通訊、局域無線網、GPS和汽車雷達等領域中占主導地位。

單晶生長方法采用的是垂直梯度凝固法(VGF)。將砷化鎵多晶放在PBN坩堝內，再放在石英管內抽真空后密封，然后再放入單晶爐內，通過調整爐內各溫區的溫度變化，促使生長界面移動生成單晶。該方法通常是一次性生長一根晶棒，無法做到一次性批量式生長，即一爐拉制多跟晶棒。這是由于垂直梯度凝固法拉制單晶對溫度控制要求較高，必須具有一整套完整、成熟的溫控方案才能生長出質量較高的晶棒。

技術實現要素：

本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在于提出一種14吋砷化鎵單晶爐及其拉1-13根單晶生長方法，大大提高砷化鎵晶棒的生產效率，溫控方案成熟，可一次性批量式生長得到1-13根單晶。

根據本發明實施例的一種14吋砷化鎵單晶爐，包括14吋爐膛、2吋PBN組件、保溫棉、爐芯、石英管、環形加熱片、封蓋；

所述14吋爐膛呈圓筒狀，所述14吋爐膛內沿其高度方向分為3-10段溫場，所述3-10段溫場的3-10段區域內設有多個溫控點，所述石英管設置在14吋爐膛內的底部，所述爐芯設置在石英管內，所述石英管與爐芯之間設有保溫棉，所述環形加熱片固定在14吋爐膛的內壁上，并且環形加熱片靠近石英管的一面呈鋸齒狀，所述2吋PBN組件整體呈圓柱狀，其底部呈漏斗狀，安裝在石英支撐內部，所述封蓋設置在14吋爐膛的頂部開口處。

進一步的，溫控點的數量為21-35個，3-10段溫場的上段區域內均勻分布有10個溫控點，3-10段溫場的中段區域內均勻分布有15個溫控點，3-10段溫場的下段區域內均勻分布有10個溫控點。

進一步的，所述2吋PBN組件的數量為13個，以3-2-3-2-3的任意排列方式均勻排列。

一種14吋砷化鎵單晶爐拉1-13根單晶的生長方法，包括以下步驟：

(1)用1.5小時加熱升溫到3-10段溫場的上段區域1150-1200℃、中段區域1280-1350℃、3-10段溫場的下段區域1220-1260℃，然后保溫1.5小時；

(2)將砷化鎵多晶、籽晶裝入2吋PBN組件中，再放在石英管內抽真空，當真空度為6.5×10^-3Pa后，通過氫氧焰對石英管進行封焊，然后將石英管放入14吋爐膛內；

(3)通過溫控點控制3-10段溫場內的生長溫度，加熱升溫到3-10段溫場的下段區域1200℃、3-10段溫場的中段區域1300℃、3-10段溫場的下段區域1240℃，保溫1.5小時，使原料熔融，然后保持3-10段溫場的上、中段區域溫度不變，3-10段溫場的下段區域穩定降低為1180℃，降溫時間為24小時，使晶體肩部穩定生長，然后勻速降低溫度，使3-10段溫場的下段區域1160℃、3-10段溫場的中段區域1280℃、3-10段溫場的下段區域1220℃，降溫時間為12小時，使晶體等徑部分穩定生長；

(4)當砷化鎵晶體結晶結束后，爐內溫度降低至1150℃，保溫12h，然后以25℃/小時將至室溫，晶體生長完畢，得到1-13根2吋砷化鎵單晶。

本發明中，設備精度高，其中分布在3-10段溫場的溫控點有10個，穩定控制溫場，建立合適的溫場梯度，進而有效掌握多個2吋單晶棒同時生長的合適的溫控規律，可以大大提高砷化鎵晶棒的生產效率，且成形率較高，可達80％-100％，3-10段溫場溫控點超過50個，穩定控制溫場，頂部鋪設保溫棉并封蓋，以密閉保溫，節約能源，使用環形加熱片，使熱場均勻節能，可一次性批量式生長得到1-13根14吋單晶。

進一步地，砷化鎵單晶的長度為120-350mm。

本發明3-10段溫場的環形加熱片的設置對熱場均勻性起到重要作用；大大提高單晶良率；對單晶質量提高的作用。

附圖說明

附圖用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與本發明的實施例一起用于解釋本發明，并不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1為本發明14吋砷化鎵單晶爐的剖面結構示意圖；

圖2為本發明14吋砷化鎵單晶爐的上部橫截面示意圖；

圖3為環形加熱片的部分結構示意圖。

圖中：1 14吋爐膛、2 2吋PBN組件、3保溫棉、爐芯4、5石英管、6環形加熱片、7封蓋、8 3-10段溫場。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。

所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“中心”、“縱向”、“橫向”、“長度”、“寬度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”、“順時針”、“逆時針”、“軸向”、“徑向”、“周向”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

此外，術語“第一”、“第二”僅用于描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特征的數量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特征。在本發明的描述中，“多個”的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關系。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

實施例1

參照圖1-3，一種14吋砷化鎵單晶爐，包括14吋爐膛1、2吋PBN組件、保溫棉3、爐芯4、石英管5、環形加熱片6、封蓋7；

14吋爐膛呈圓筒狀，14吋爐膛內沿其高度方向分為3段溫場8，3-10段溫場8的區域內設有多個溫控點，石英管5設置在14吋爐膛1內的底部，爐芯4設置在石英管5內，石英管5與爐芯4之間設有保溫棉3，環形加熱片6固定在14吋爐膛1的內壁上，并且環形加熱片6靠近石英管5的一面呈鋸齒狀，增加環形加熱片6面積，使得熱場均勻并節能，2吋PBN組件2整體呈圓柱狀，其底部呈漏斗狀，安裝在石英支撐5內部，封蓋7設置在14吋爐膛1的頂部開口處。

進一步的，溫控點的數量為21個，3段溫場8的下段區域內均勻分布有3個溫控點，3-10段溫場8的中段區域內均勻分布有15個溫控點，3-10段溫場8的下段區域內均勻分布有3個溫控點。

進一步的，2吋PBN組件2的數量為13個，以3-2-3-2-3的任意排列方式均勻排列。

一種14吋砷化鎵單晶爐拉1-13根單晶的生長方法，包括以下步驟：

(1)用1.5小時加熱升溫到3-10段溫場8的上段區域1150℃、中段區域1280℃、3-10段溫場8的下段區域1220℃，然后保溫1.5小時；

(2)將砷化鎵多晶、籽晶裝入2吋PBN組件2中，再放在石英管5內抽真空，當真空度為6.5×10^-3Pa后，通過氫氧焰對石英管5進行封焊，然后將石英管放入14吋爐膛內；

(3)通過溫控點控制3-10段溫場8內的生長溫度，加熱升溫到3-10段溫場8的下段區域1200℃、3-10段溫場8的中段區域1300℃、3-10段溫場8的下段區域1240℃，保溫1.5小時，使原料熔融，然后保持3-10段溫場8的上、中段區域溫度不變，3-10段溫場8的下段區域穩定降低為1180℃，降溫時間為24小時，使晶體肩部穩定生長，然后勻速降低溫度，使3-10段溫場8的下段區域1160℃、3-10段溫場8的中段區域1280℃、3-10段溫場8的下段區域1220℃，降溫時間為12小時，使晶體等徑部分穩定生長；

(4)當砷化鎵晶體結晶結束后，爐內溫度降低至1150℃，保溫12h，然后以25℃/小時將至室溫，晶體生長完畢，得到1-13根2吋砷化鎵單晶。

砷化鎵單晶的長度為120mm

本發明14吋砷化鎵單晶爐設備精度高，其中分布在3-10段溫場8的溫控點有10個，穩定控制溫場，建立合適的溫場梯度，進而有效掌握多個2吋單晶棒同時生長的合適的溫控規律，可以大大提高砷化鎵晶棒的生產效率，且成形率較高，可達80％-100％，3-10段溫場8溫控點超過20個，穩定控制溫場，頂部鋪設保溫棉并封蓋，以密閉保溫，節約能源，使用環形加熱片，使熱場均勻節能。

實施例2

一種14吋砷化鎵單晶爐拉1-13根單晶的生長方法，方法步驟同實施例1，不同工藝參數在于：

溫控點的數量為35個，3-10段溫場的上段區域內均勻分布有10個溫控點，3-10溫場的中段區域內均勻分布有15個溫控點，3-10段溫場的下段區域內均勻分布有10個溫控點。

(1)用1.5小時加熱升溫到3-10段溫場8的上段區域1200℃、中段區域1350℃、3-10段溫場8的下段區域1260℃，然后保溫1.5小時；

實施例3

一種14吋砷化鎵單晶爐拉1-13根單晶的生長方法，方法步驟同實施例1，不同工藝參數在于：

溫控點的數量為30個，3-10段溫場的上段區域內均勻分布有7個溫控點，3-10溫場的中段區域內均勻分布有15個溫控點，3-10段溫場的下段區域內均勻分布有8個溫控點。

(1)用1.5小時加熱升溫到3-10段溫場8的上段區域1155℃、中段區域1300℃、3-10段溫場8的下段區域1245℃，然后保溫1.5小時；

砷化鎵單晶的長度為350mm

在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。