2
3
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ПРОФИЛИРОВАННЫХ МОНОКРИСТАЛЛОВ β-GaO ИЗ СОБСТВЕННОГО РАСПЛАВА

2
3
Полезная модель относится к устройствам для выращивания из расплава профилированных монокристаллов и может быть использована для получения монокристаллов оксида галлия (β-GaO).
2
3
Оксид галлия (β-GaO) - это широкозонный полупроводник с высоким напряжением электрического пробоя, который является перспективным материалом для производства высоковольтных транзисторов, ультрафиолетовых светодиодов, прозрачных проводящих покрытий.
Известен аналог устройства US 8747553 В2, в котором рост кристалла оксида галлия производится с помощью плавления шихты галогеновой лампой и дальнейшего вытягивания полученного расплава в кристалл. Недостатком устройства является необходимость специального приготовления шихты - а именно предварительного спекания ее в форме стержня при 1500°C. Недостатком устройства является излишняя сложность конструкции, подразумевающая наличие прозрачных окон для высокоинтенсивной галогеновой лампы. Недостатком устройства с лучевым нагревом является сложность соблюдения стабильности тепловых условий, неоднородный прогрев шихты, резкое остывание при кристаллизации, невозможность полностью контролировать температурный градиент в области фронта кристаллизации. Как следствие, недостатком является высокая концентрация дефектов в получаемых кристаллах. Размеры кристаллов, которые получены в устройствах с лучевым нагревом, невелики и пока не существует решений, как их увеличить до промышленно значимых.
2
3
2
3
Наиболее близкой по технической сущности и принятой нами за прототип является конструкция устройства, представленная в заявке РСТ WO 2013073497 Al, METHOD FOR GROWING β-Ga2O3 SINGLE CRYSTAL (дата публикации 23.05.2013), посвященная способу выращивания монокристаллов β-GaO из собственного расплава с использованием метода EFG, в том числе как «чистых», так и допированных кристаллов β-GaO. Допирование возможно путем добавления в исходную шихту легирующего компонента, где легирующими компонентами выступают Al, In, С, Si, Ge; Sn, Pb, Zn, Cd и др. Предлагаемое в WO 2013073497 Al устройство содержит тигель с расплавом, затравку и формообразователь с системой подачи расплава к фронту кристаллизации за счет капиллярного давления.
Недостатком этого устройства является большое количество элементов конструкции тигля и формообразователя из иридия, что сильно увеличивает стоимость получаемого кристалла. Недостатком устройства являются изменяющиеся в процессе вытягивания условия подачи расплава к фронту кристаллизации, что усложняет сам процесс, а значит также приводит к удорожанию получаемых кристаллов при понижении их качества. Также в данном устройстве не предусмотрена возможность группового роста кристаллов (более одного).
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является возможность изготовления более дешевых монокристаллов оксида галлия с заданным поперечным сечением.
2
3
2
3
Данный технический результат достигается за счет того, что в устройстве для выращивания профилированных монокристаллов β-GaO из собственного расплава, включающем тигель с расплавом, затравку и формообразователь с системой подачи расплава к фронту кристаллизации, формообразователь выполнен в виде плавающей на поверхности расплава пластины с формообразующим отверстием, а затравка расположена над формообразующим отверстием с функцией предотвращения испарения расплава через это отверстие до начала затравления и вытягивания. Тигель и формообразователь выполнены из высокотемпературной модификации оксида алюминия (α-AlO) с возможностью слабого растворения в расплаве. При этом число отверстий в формообразователе может быть более одного.
2
3
Сущность полезной модели поясняется чертежами (фиг. 1 и фиг. 2), на которых изображено патентуемое устройство. Оно состоит из: тигля 1 с расплавом 2, плавающего формообразователя 3, держателя с затравочным кристаллом 4. Тигель 1 и формообразователь 3 сделаны из оксида алюминия α-AlO. Формообразователь 3 представляет собой пластину, полностью закрывающую поверхность расплава 2, кроме тех мест, где сделаны отверстия для питания растущего кристалла. Для обеспечения более высокого капиллярного давления в каналах формообразователя отверстия могут сужаться к поверхности расплава (например, иметь форму лунки). Формообразователь 3 может быть с несколькими отверстиями для обеспечения группового роста кристаллов (фиг. 2). В таком случае затравок тоже будет несколько.
Устройство работает следующим образом. Шихта оксида галлия при нагревании до 1850°C плавится в тигле 1 в зоне 2. Затравочный кристалл в держателе 4 находится прямо над отверстием формообразователя 3. При плавлении шихты и образовании расплава происходит процесс затравления. Затем происходит плавный подъем затравочного кристалла 4. В процессе подъема затравочного кристалла происходит вытягивание из расплава кристалла оксида галлия. Питание растущего кристалла производится посредством подъема столба расплава 2 за счет капиллярных сил в отверстии формообразователя. Отверстие своей кромкой задает форму растущего кристалла. При этом происходит уменьшение объема расплава в зоне 2. Как следствие, формообразователь 3 плавно перемещается вниз вслед за поверхностью расплава.
2
3
2
3
Заявляемое устройство по сравнению с прототипом имеет более низкую стоимость элементов конструкции, так как тигель 1 и плавающий формообразователь 3 изготовлены из высокотемпературной модификации оксида алюминия α-AlO, имеет более малую площадь контакта поверхности формообразователя с поверхностью расплава, что важно, так как расплав оксида галлия обладает высокой химической активностью. Имеет автоматическую регулировку условий подачи расплава к фронту кристаллизации, так как формообразователь 3 свободно плавает на поверхности расплава 2. К тому же, конструкция устройства предотвращает возможность образования паров оксида галлия за счет того, что затравочный кристалл находится на отверстии формообразователя до процесса роста кристалла и тем самым «запирает» его и предотвращает возможность испарения расплава. Таким образом, предотвращается возможность химической коррозии элементов конструкции ростовой установки парами GaO. В устройстве реализована возможность одновременного роста нескольких монокристаллов. За счет приведенных преимуществ полезной модели и достигается технический результат.