УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРИСТАЛЛА ОКСИДА ГАЛЛИЯ, СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРИСТАЛЛА ОКСИДА ГАЛЛИЯ И ТИГЕЛЬ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ КРИСТАЛЛА ОКСИДА ГАЛЛИЯ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЙ ДЛЯ ЭТОГО
DEVICE FOR MANUFACTURE OF GALLIUM OXIDE CRYSTAL, METHOD FOR MANUFACTURE OF GALLIUM OXIDE CRYSTAL AND CRUCIBLE FOR GROWING GALLIUM OXIDE CRYSTAL, USED FOR IT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к устройству для изготовления кристалла оксида галлия, который представляет собой широкозонный полупроводник для силового устройства, рассматриваемый как один из посткремниевых материалов, способу для изготовления кристалла оксида галлия и тиглю для выращивания кристалла оксида галлия, используемого для этого.
Уровень техники
2
3
В последние годы силовые устройства привлекают внимание как устройство следующего поколения, заменяющее кремниевые (Si) устройства, и постоянно совершенствуются. Долю широкозонных полупроводников для силового устройства в настоящее время занимает карбид кремния (SiC), на втором месте нитрид галлия (GaN), и в последнее время вызывает интерес оксид галлия (GaO), имеющий более широкую запрещенную зону, чем SiC и GaN.
2
3
2
3
Ввиду вышесказанного, для обеспечения возможности массового изготовления оксида галлия в качестве широкозонного полупроводника для силового устройства в настоящее время разрабатывается устройство изготовления или способ изготовления для монокристалла оксида галлия (который, в частности, представляет собой монокристалл β–GaO, и дальнейшее описание будет сделано со ссылкой на кристалл β–GaO), имеющий высокое качество и большой размер при низких затратах.
2
3
2
3
Иридий (Ir) исключительно использовался в качестве материала для судна (тигля), в котором находится расплав исходного материала для выращивания кристалла β–GaO (т.е. плавление расплава исходного материала и затвердевание расплава для получения монокристалла). Например, PTL 1 (JP–A–2004–56098), PTL 2 (JP–A–2013–103863) и PTL 3 (JP–A–2011–153054) каждый описывает рост кристалла β–GaO. Все эти литературные источники описывают использование тигля, образованного из иридия (Ir).
2
3
2
3
Однако авторы настоящего изобретения выяснили с помощью различных экспериментов и теоретических исследований, что иридий (Ir), т.е. используемый в настоящее время материал тигля, имеет проблему. В частности, было обнаружено, что Ir подвергается реакции окисления при парциальном давлении кислорода, превышающем несколько процентов, в высокотемпературной печи, превышающей 1800°С, и его трудно использовать в качестве стабильного материала тигля. Также было обнаружено, что β–GaO подвергается реакции разложения, теряя кислород, и трудно иметь стабильный расплав β–GaO при парциальном давлении кислорода 10% или менее при высокой температуре, превышающей 1800°C.
2
3
2
3
Как описано выше, условие парциального давления кислорода в высокотемпературной печи, которое требует β–GaO, являющийся расплавом исходного материала, и условие парциального давления кислорода, которое требует Ir–тигля, удерживающего расплав, очевидно, противоречат друг другу. Следовательно, Ir не признается материалом тигля, который пригоден для удержания расплава исходного материала β–GaO.
2
3
2
3
2
3
Кроме того, рост кристалла β–GaO с использованием Ir–тигля был возможен в узком диапазоне парциальных давлений кислорода в несколько процентов в печи, но экспериментально выяснилось, что выращенный кристалл β–GaO имеет кислородные дефекты с высокой плотностью, которые часто встречаются в оксидных кристаллах, выращенных при недостатке кислорода, и имеет проблемы, такие как испарение, снижение веса и деградация, вызванные окислением Ir. Кроме того, существует много проблем в создании полупроводникового устройства, например, дефекты кислорода действуют как примесь n–типа, образуя донора в высокой концентрации, что значительно затрудняет изготовление β–GaO p–типа.
2
3
2
3
2
3
В этих обстоятельствах авторы настоящего изобретения провели серьезные исследования для решения этих проблем и обнаружили, что сплав платины (Pt) и родия (Rh) (который можно назвать сплавом Pt–Rh или сплавом Pt/Rh) пригоден в качестве материала тигля, используемого для выращивания кристалла β–GaO (см. PTL 4 (JP–A–2016–79080)). Согласно способу изготовления и устройству для изготовления кристалла β–GaO с использованием тигля, образованного из сплава Pt–Rh, парциальное давление кислорода, которое является необходимым и достаточным для требований с учетом условий роста кристаллов и характеристик выращенного кристалла, может быть применено при использовании тигля из сплава на основе Pt–Rh, подходящего для способа выращивания кристаллов. Соответственно, возникновение кислородных дефектов в кристалле, которые часто возникают при обычном способе выращивания кристаллов с использованием иридиевого (Ir) тигля, может быть в значительной степени уменьшено, и, таким образом, кристалл β–GaO может быть благоприятно выращен в атмосфере воздуха (в атмосфере) с высоким содержанием кислорода.
Сущность изобретения
Техническая задача
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Хотя, был осуществлен рост кристалла β–GaO в атмосфере воздуха (в атмосфере) посредством настоящего изобретения, относящегося к тиглю, образованному из сплава на основе Pt–Rh, но возникает другая проблема в том, что кристалл β–GaO, который изначально бесцветный и прозрачный, окрашен в желтый или оранжевый цвет. Это явление вызвано родием (Rh) как одним из материалов тигля, который извлекается и смешивается в расплаве в процессе роста кристаллов β–GaO, а востребованным является рост кристалла β–GaO, имеющего высокую степень чистоты с меньшим количеством примесей, хотя до сих пор не сообщалось о влиянии примесей на полупроводниковые свойства кристалла β–GaO.
Решение проблемы
В ответ на упомянутую выше проблему один или несколько аспектов настоящего изобретения направлены на устройство изготовления и Способ для изготовления кристалла оксида галлия, которые приспособлены выращивать монокристалл оксида галлия, имеющего высокую чистоту, с меньшим количеством примесей без окрашивания, например, при выращивании кристалла оксида галлия в качестве широкозонного полупроводникового материала для будущего силового устройства, и используемый для этого тигель.
Ввиду вышеизложенного, следующие варианты осуществления описаны ниже.
Тигель для выращивания кристалла оксида галлия в соответствии с настоящим изобретением представляет собой тигель для выращивания кристалла оксида галлия с применением способа VB, способа HB или способа VGF в атмосфере воздуха, тигель, содержащий сплав на основе Pt–Ir с содержанием Ir от 20 до 30 масс.%.
Способ изготовления кристалла оксида галлия согласно настоящему изобретению представляет собой способ, включающий выращивание кристалла оксида галлия с применением способа VB, способа HB или способа VGF в воздушной атмосфере с использованием тигля, содержащего сплав на основе Pt–Ir с содержанием Ir от 20 до 30 масс.%.
Устройство для изготовления кристалла оксида галлия согласно настоящему изобретению представляет собой Устройство для изготовления кристалла оксида галлия, включающее в себя вертикальную печь Бриджмена, включающую в себя: основной корпус; корпус печи цилиндрической формы, имеющий термостойкость, расположенный на основном корпусе; крышку, закрывающую корпус печи; нагреватель, расположенный внутри корпуса печи; держатель тигля, расположенный вертикально с возможностью прохождения через основной корпус; и тигель, расположенный на держателе тигля, нагреваемый нагревателем, причем тигель содержит сплав на основе Pt–Ir с содержанием Ir от 20 до 30 масс.%.
Нагреватель может быть резистивным нагревателем или высокочастотным индукционным нагревателем.
Как описано выше, настоящее изобретение использует тигель из сплава на основе Pt–Ir, который отличается от элементарного вещества Ir и сплава на основе Pt–Rh, для выращивания кристалла оксида галлия при высокой температуре точки плавления оксида галлия или выше в атмосфере воздуха (в атмосфере).
В способе изготовления и устройстве для изготовления кристалла оксида галлия согласно настоящему изобретению можно предотвратить протекание реакции окисления Ir даже при парциальном давлении кислорода, которое является необходимым и достаточным для требования с учетом условий роста кристаллов и характеристик выращенного кристалла посредством использования тигля из сплава на основе Pt–Ir, подходящего для способа выращивания кристаллов, и, следовательно, возникновение кислородных дефектов в кристалле, которые часто возникают при обычном способе выращивания кристаллов с использованием Ir–тигля, может быть в значительной степени уменьшено, чтобы обеспечить монокристалл, имеющий высокое качество.
Преимущества изобретения
2
3
В соответствии со способом изготовления и устройством для изготовления кристалла оксида галлия настоящего изобретения кристалл оксида галлия (в частности, β–GaO) может быть благоприятно выращен в атмосфере воздуха (в атмосфере), используя тигель, содержащий сплав на основе Pt–Ir с содержанием Ir от 20 до 30 масс.%, и, таким образом, может быть получен кристалл оксида галлия, имеющий большой размер, высокое качество и меньшее количество дефектов. Кроме того, бесцветные и прозрачные кристаллы оксида галлия без окраски могут быть получены (выращены) с использованием тигля, содержащего сплав на основе Pt–Ir с содержанием Ir от 20 до 30 масс.% в соответствии с настоящим изобретением, и, таким образом, может быть получен (выращен) кристалл оксида галлия, имеющий высокую чистоту с меньшим количеством примесей.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой график, показывающий высокотемпературные потери испарения элементов группы Pt в атмосфере воздуха в диапазоне высоких температур.
Фиг.2 представляет собой график, показывающий соотношение между составом (масс.%) сплава Pt/Ir и температурой плавления.
Фиг.3 представляет собой фотографии, показывающие состояния поверхности образцов сплава (материалы пластин) Pt/Ir (90/10 масс.%), Pt/Ir (80/20 масс.%) и Pt/Rh (80/20 масс.%) до и после нагревания в эксперименте по нагреванию.
Фиг.4 представляет собой схематическую иллюстрацию (вид в вертикальной проекции), показывающую пример структуры устройства для изготовления кристалла оксида галлия согласно настоящему изобретению с использованием резистивного нагревателя.
Фиг.5 представляет собой схематическую иллюстрацию (вид в вертикальной проекции), показывающую пример структуры устройства для изготовления кристалла оксида галлия согласно настоящему изобретению с использованием высокочастотного индукционного нагревателя.
2
3
Фиг.6А и 6В представляют собой фотографии, показывающие состояние исходного материала β–GaO, помещенного в тигель из справа Pt/Ir (74/26 масс.%), до нагрева (фиг.6А) и после плавления и затвердевания (фиг.6В).
Фиг.7А и 7В представляют собой фотографии, показывающие состояние тигля из сплава Pt/Ir (74/26 масс.%) до нагревания (фиг.7А) и после нагревания (фиг.7В).
Описание вариантов осуществления изобретения
Тигель для выращивания кристалла оксида галлия в соответствии с настоящим изобретением представляет собой тигель для выращивания кристалла оксида галлия с применением способа VB, способа HB или способа VGF в атмосфере воздуха, тигель, содержащий сплав на основе Pt–Ir с содержанием Ir от 20 до 30 масс.%.
Способ для изготовления кристалла оксида галлия в соответствии с настоящим изобретением представляет собой Способ для изготовления кристалла оксида галлия, включающий в себя выращивание кристалла оксида галлия с использованием способа VB, способа HB или способа VGF в атмосфере воздуха с использованием тигля, содержащего сплав на основе Pt–Ir с содержанием Ir от 20 до 30 масс.%.
Настоящее изобретение будет описано более подробно ниже.
2
3
Фиг.1 представляет собой график, показывающий высокотемпературные потери испарения элементов группы Pt, которые имеют относительно высокие температуры плавления и, как считается, имеют возможность использования в качестве материала тигля в воздухе на основе известных данных с учетом температуры плавления оксида галлия (β–GaO) (приблизительно 1800°C).
Как описано выше, иридий (Ir) имеет относительно большие высокотемпературные потери испарения, т.е. подвергается реакции окисления при высокой температуре, и, таким образом, элементарное вещество иридия (Ir) не подходит в качестве стабильного материала тигля.
2
3
2
3
При таких обстоятельствах авторы настоящего изобретения исследовали сплавы платины (Pt) и иридий (Ir) в качестве материала тигля, используемого для изготовления кристалла β–GaO, на основе известных данных и результатов экспериментов точного плавления и выращивания кристаллов для β–GaO.
2
3
В результате было обнаружено, что сплав платины (Pt) и иридия (Ir) (который может упоминаться как сплав Pt–Ir или сплав Pt/Ir) подходит в качестве материала тигля, используемого для изготовления кристалла β–GaO.
Сплавы Pt–Ir имеют различные температуры плавления в зависимости от содержания Ir, содержащегося в Pt. На фиг.2 показана зависимость между составом (масс.%) сплава Pt/Ir и температурой плавления, полученная на основе данных из известной литературы и экспериментальных данных авторами настоящего изобретения.
2
Эксперимент по измерению точки плавления сплава Pt–Ir был выполнен в воздухе (в атмосфере) (с парциальным давлением кислорода приблизительно 20%), и результаты, показанные на фиг.2, подтвердили, что они не имеют существенного отличия от данных, полученных в газовой атмосфере аргона (Ar), имеющей парциальное давление кислорода от 10 до 50%, и газовой атмосфере азота (N), имеющей парциальное давление кислорода от 10 до 20%.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
В соответствии с экспериментом плавления β–GaO проведенного авторами настоящего изобретения, β–GaO полностью плавится приблизительно при 1795°С. Соответственно, очевидно, что Pt, имеющий температуру плавления 1769°C не может быть применен к материалу тигля для плавления и удержания β–GaO. Однако, как показано на фиг.2, сплав Pt/Ir, содержащий приблизительно 10 масс.% или более Ir, имеет температуру плавления, превышающую температуру плавления β–GaO, и, таким образом, теоретически может использоваться в качестве тигля для удержания расплава β–GaO.
(Эксперимент по нагреву сплава на основе Pt–Ir)
2
3
Авторы настоящего изобретения затем проводили следующий эксперимент для исследования состава (масс.%) сплава Pt/Ir, который является оптимальным для материала тигля, используемого для изготовления кристалла β–GaO.
2
3
В качестве сравнительного примера были подготовлены образцы сплава (материалы пластин) из Pt/Ir (90/10 масс.%) и Pt/Ir (80/20 масс.%), а также Pt/Rh (80/20 масс.%) и подвергнуты эксперименту по нагреву путем выдержки при максимальной температуре 1760°C или при максимальной температуре 1806°C с в течение от 5 до 10 часов с помощью способа VB печи выращивания кристаллов в атмосфере воздуха, и обследовались и анализировались состояния поверхности материалов пластин из сплава до и после нагрева. Авторами настоящего изобретения было продемонстрировано, что сплав Pt/Rh (80/20 масс.%) может быть использован в качестве материала тигля, используемого для изготовления кристалла β–GaO (см. PTL 4).
В таблице 1 приведены результаты изменения состояния материалов пластин из сплава, использованных в вышеупомянутом эксперименте, после нагревания. На фиг.3 приведены микрофотографии поверхностных состояний материалов пластин из сплава, использованных в эксперименте.
Таблица 1
Pt/Ir (90/10 масс.%)
Pt/Ir (80/20 масс.%)
Pt/Rh (80/20 масс.%)
1760°C (60 атом%)
A
A
A
1806°C (65 атом%)
В
A
A
A: форма сохраняется без плавленияB: расплавленный
Как показано в таблице 1, все материалы пластин, после нагрева до максимальной температуры 1760°C сохранили форму без плавления. С другой стороны, что касается материалов пластин после нагрева до максимальной температуры 1806°С, материал пластины из сплава Pt/Ir (90/10 масс.%) был расплавлен за счет более высокой температуры, чем температура его плавления, а материалы пластин из сплава Pt/Ir (80/20 масс.%) и Pt/Rh (80/20 масс.%) сохраняли форму без плавления.
Более того, как показано на фиг.3, наблюдение с помощью оптического микроскопа состояний поверхности материалов пластин из сплава после нагревания показало, что для материала пластин из сплава Pt/Rh (80/20 масс.%) после нагревания как до максимальной температуры 1760°C, так и до максимальной температуры 1806°C гладкая поверхность перед нагревом была изменена, чтобы показать рисунок границы зерна, который, как предполагалось, был вызван процессом кристаллизации из–за нагревания, но смещение структуры не было подтверждено. Для материалов пластин из сплава Pt–Ir, т.е., для сплава Pt/Ir (90/10 масс.%), нагретого до максимальной температуры 1760°C, и для сплава Pt/Ir (80/20 масс.%), нагретого до максимальной температуры 1806°C, которые сохранили свою форму без плавления, гладкая поверхность перед нагреванием была изменена, чтобы показать рисунок границы зерна, который, как предполагалось, был вызван процессом кристаллизации из–за нагрева, но смещение структуры было не подтверждено. Тем не менее, материал пластины из сплава Pt/Ir (90/10 масс.%) был расплавлен при 1806°C, как описано выше.
Если локальное разделение (смещение) структуры происходит из–за нагревания, отделенные элементы, за исключением платины (Pt), испаряются через образование оксидов, при этом остающаяся платина (Pt) плавится выше температуры плавления, и, следовательно, сплав плавится или образует поры или трещины независимо от того, что температура ниже, чем температура плавления сплава. Следовательно, сплав, который вызывает разделение (смещение) структуры, не подходит в качестве материала тигля.
С другой стороны, как показано на фиг.3, наблюдение с помощью электронного микроскопа состояний поверхности материалов пластин из сплава после нагревания показало, что для обоих материалов пластин из сплава Pt–Ir (Pt/Ir (80/20 масс.%)) и сплава Pt–Rh (Pt/Rh (80/20 масс.%)) разделения (смещения) структуры не наблюдалось, и на микрофотографиях отраженных электронов не было обнаружено ни пор, ни трещин.
Соответственно, еще раз подтверждается, что сплав на основе Pt–Rh (Pt/Rh (80/20 масс.%)) подходит в качестве материала тигля, что было выяснено авторами настоящего изобретения (см. PTL 4). Кроме того, было обнаружено, что сплав на основе Pt–Ir (Pt/Ir (80/20 масс.%)) пригоден в качестве материала тигля.
2
3
2
3
В практике роста кристаллов β–GaO, температура плавления тигля из сплава Pt/Ir, которая требуется для выполнения роста кристаллов, устойчиво сохраняя расплав β–GaO, имеющий температуру плавления 1795°C, может варьироваться в зависимости от принципов выращивания кристаллов, например, способа CZ, способа EFG, способа VB, способа HB и способа VGF, размера выращиваемого кристалла, условий выращивания кристалла и т.п.
2
3
2
3
2
3
2
3
В случае роста кристалла β–GaO по способу VB (вертикальный способ Бриджмена), тигель обязан выдерживать максимальную температуру приблизительно 1850°C, и, следовательно, Pt/Ir (90/10 масс.%), расплавленный при максимальной температуре 1806°C, не подходит в качестве материала тигля для выращивания кристаллов β–GaO способом VB (вертикальный способ Бриджмена). Нижний предел содержания Ir в сплаве Pt–Ir, который можно применять для материала тигля для роста кристалла β–GaO способом VB (вертикальный способ Бриджмена), составляет фактически 20 масс.% или более. С другой стороны, существует технический верхний предел содержания Ir в изготовлении сплава Pt–Ir, и, таким образом, верхний предел содержания Ir в тигле из сплава Pt–Ir составляет, соответственно, 30 масс.% или менее. Соответственно, в настоящем изобретении было установлено, что тигель из сплава на основе Pt–Ir с содержанием Ir от 20 до 30% масс является эффективным в качестве тигля, используемого для выращивания кристалл оксида галлия (β–GaO).
(Пример структуры устройства для изготовления кристалла оксида галлия)
2
3
2
3
2
3
Устройство для изготовления кристалла оксида галлия (β–GaO) по настоящему изобретению будет описан ниже. В устройстве 10 для изготовления кристалла оксида галлия (β–GaO) в соответствии с одним вариантом осуществления настоящего изобретения используется материал тигля, который отличается от элементарного вещества иридия (Ir) и сплава платины (Pt) и родия (Rh), и который является, в частности, сплавом платины (Pt) и иридия (Ir) в качестве материала тигля, используемого для выращивания кристалла β–GaO.
2
3
2
3
Фиг.4 представляет собой схематическое изображение (вид сбоку), показывающее пример структуры устройства 10 для изготовления кристалла оксида галлия для выращивания кристалла β–GaO. Устройство 10 для изготовления кристалла оксида галлия представляет собой устройство, которое выращивает кристалл β–GaO способом VB (вертикальный способ Бриджмена) в атмосфере воздуха (в атмосфере).
В способе VB тигель перемещается вверх и вниз, т.е. перемещается вертикально, в вертикальной печи Бриджмена, имеющей градиент температуры в вертикальном направлении, и, таким образом, кристалл выращивается из исходного материала в тигле.
В устройстве 10 для изготовления кристалла оксида галлия вертикальная печь Бриджмена состоит из основного корпуса 12, корпуса 14 печи, крышки 18, нагревателя 20, держателя 30 тигля и тигля 34, которые описаны ниже.
На фиг.4 корпус 14 печи, состоящий из теплоизоляционного материала, расположен на основном корпусе 12 (подставке). Основной корпус 12 снабжен охлаждающим механизмом 16, через который протекает охлаждающая вода.
Корпус 14 печи имеет цилиндрическую форму в целом, и сформирован так, чтобы иметь структуру, имеющую теплостойкость, способную выдерживать высокую температуру около 1850°С.
Верхняя часть корпуса 14 печи может быть закрыта крышкой 18. Нижняя часть корпуса 14 печи представляет собой нижнюю часть 22, имеющую различные термостойкие многослойные материалы.
2
Труба 24 активной зоны печи цилиндрической формы расположена в корпусе 14 печи, а нагреватель 20 расположен между трубой 24 активной зоны печи и корпусом 14 печи, который также имеет цилиндрическую форму. Нагреватель 20 в настоящем варианте осуществления представляет собой резистивный нагреватель, который генерирует тепло при приложении электричества. В это время формируется градиент температуры, при котором верхняя сторона цилиндрической трубы 24 активной зоны печи становится более высокой температурой. Примеры материала, используемого для нагревателя 20, включают дисилицид молибдена (MoSi).
Теплоизоляционный материал 26 расположен в нижней части трубы 24 активной зоны печи. В центральной части трубы 24 активной зоны печи имеется сквозное отверстие 28, проходящее вертикально через основной корпус 12 и теплоизоляционный материал 26, и через сквозное отверстие 28 проходит держатель 30 тигля, который может вертикально перемещаться и вращаться относительно осевой линии в качестве центра с приводным механизмом, который не показан на чертеже. Держатель 30 тигля также изготовлен из термостойкого материала, выдерживающего высокую температуру, такого как оксид алюминия. Термопара 32 расположена внутри держателя 30 тигля для измерения температуры в корпусе 14 печи.
Держатель 30 тигля может нести тигель 34 на его верхнем конце, и упомянутый выше тигель из сплава Pt–Ir удерживается на нем. Тигель 34 нагревается с помощью нагревателя 20.
С упомянутой выше конструкцией тигель 34 на держателе 30 тигля может нагреваться (повышение температуры) путем перемещения держателя 30 тигля вверх в трубе 24 активной зоны печи, имеющей градиент температуры, в которой температура повышается вверх, и тигель 34 на держателе 30 тигля может охлаждаться (понижение температуры), перемещая держатель 30 тигля вниз. В соответствии с процедурой исходный материал для оксида галлия, помещенный в тигель 34, может быть расплавлен и отвержден для выращивания кристалла оксида галлия.
Труба 36 впуска воздуха расположена вокруг держателя 30 тигля под основным корпусом 12, с помощью которого воздух (кислород) может подаваться в трубу 24 активной зоны печи через зазор между держателем 30 тигля и теплоизоляционным материалом 26. Труба 38 выпуска расположена в верхней части трубы 24 активной зоны печи, проходит через корпус 14 печи, достигает внешней стороны устройства 10 изготовления, с помощью которой газ внутри трубы 24 активной зоны печи может выходить наружу из устройства 10 изготовления. В соответствии с конфигурацией, рост кристаллов в атмосфере воздуха (в атмосфере) может быть выполнен.
Хотя в этом варианте осуществления имеется система нагрева резистивного нагрева с использованием резистивного нагревателя в качестве нагревателя 20, система нагрева высокочастотного индукционного нагрева может использоваться в качестве модифицированного примера.
Фиг.5 представляет собой схематическую иллюстрацию (вертикальный вид), показывающую пример структуры устройства 10 для изготовления кристалла оксида галлия, в котором используется нагреватель 42 с помощью высокочастотного индукционного нагрева. Те же элементы, что и элементы, показанные на фиг.4, обозначены одинаковыми символами. Корпус 14 печи, показанный на фиг.5, фактически такой же, как показано на фиг.4, хотя его внешний вид на чертеже немного отличается от показанного на фиг.4. Могут быть выполнены впуск внешнего воздуха и выпуск из внутренней части трубы 24 активной зоны печи.
Отличия в примере модификации от вышеупомянутого варианта осуществления включают в себя высокочастотную катушку 40, расположенную на внешней периферии корпуса 14 печи, и нагреватель 42, нагреваемый высокочастотным индукционным нагревом, расположенный вместо резистивного нагревателя 20, используемого в упомянутом выше варианте осуществления. Примеры материала, используемого для нагревателя 42, включают в себя материал сплава на основе Pt, выдерживающий высокую температуру, такой как материал сплава на основе Pt–Rh, имеющий содержание Rh приблизительно 30 масс.%.
2
3
(Эксперимент по плавлению исходного материала β–GaO на установке для получения кристалла оксида галлия с использованием тигля из сплава на основе Pt–Ir)
2
3
2
3
2
3
Авторы настоящего изобретения исследовали, был ли возможен рост кристаллов оксида галлия путем нагревания исходного материала β–GaO с вышеупомянутым устройством 10 для изготовления кристалла оксида галлия с использованием тигля из сплава на основе Pt–Ir. Кроме того, исходный материал β–GaO нагревали с использованием тигля из сплава на основе Pt–Rh вместо тигля из сплава на основе Pt–Ir, и сравнивали кристаллы β–GaO, выращенные тиглями, по загрязнениям (примесям).
2
3
2
3
Авторам настоящего изобретения уже известно, что рост кристалла β–GaO возможен при использовании вышеупомянутого устройства 10 для изготовления кристалла оксида галлия, которое использует тигель из сплава на основе Pt–Rh в качестве устройства для выращивания кристалла β–GaO способом VB в атмосфере воздуха (в атмосфере) (см. PTL 4).
2
3
2
3
2
3
2
3
В частности, были подготовлены тигли, изготовленные из сплавов на основе Pt из Pt/Ir (74/26 масс.%), Pt/Rh (80/20 масс.%) и Pt/Rh (70/30 масс.%), и в атмосфере воздуха (в атмосфере) тигли из сплава на основе Pt с размещенным в нем исходным материалом β–GaO (β–GaO) были установлены на упомянутом выше устройстве 10 изготовления, и тигель был перемещен вверх для расплавления β–GaO при нагревании. Впоследствии тигель был перемещен вниз для затвердевания расплавленного β–GaO при охлаждении (понижение температуры).
2
3
2
3
Фиг.6А и 6В представляют собой фотографии, показывающие состояние исходного материала β–GaO (β–GaO), расположенного в тигле из сплава Pt/Ir (74/26 масс.%) до нагрева (фиг.6A) и после плавления и затвердевания (фиг.6В). Фиг.7А и 7В представляют собой фотографии, показывающие состояние тигля из сплава Pt/Ir (74/26 масс.%) до нагревания (фиг.7А) и после нагревания (фиг.7В).
2
3
В этом эксперименте тигель из сплава Pt/Ir (74/26 масс.%) нагревали с использованием устройства 10 для изготовления кристалла оксида галлия с высокочастотной системой индукционного нагрева. Электрическая мощность нагрева была увеличена до предписанной электрической мощности, а затем электрическая мощность сохранялась в течение 1 часа и 51 минуты и затем постепенно уменьшалась. В ходе эксперимента, поскольку кристалл не виден, плавление исходного материала β–GaO оценивается путем точного понимания изменения температуры тигля по выходному сигналу термопары 32.
2
3
2
3
2
3
2
3
Как показано на фиг.6B, массивный исходный материал β–GaO (β–GaO) перед нагреванием, показанный на фиг.6A, сформировал бесцветный прозрачный кристалл β–GaO после нагрева и охлаждения. Это показывает, что исходный материал β–GaO был полностью расплавлен в тигле из сплава Pt/Ir (74/26 масс.%), чтобы заполнить весь тигель, а затем затвердел.
2
3
2
3
Профиль температуры, измеренный термопарой 32, показал постоянную скорость подъема при увеличении электрической мощности нагрева, но когда исходный материал β–GaO начал плавиться, скорость повышения температуры сразу снизилась, так что повышение температуры остановилось, и когда исходный материал β–GaO полностью расплавился, скорость повышения температуры вернулась к исходной скорости.
2
3
2
3
В результате анализа фактического измеренного профиля температуры было признано, что исходный материал β–GaO достиг точки плавления (1795°С), чтобы начать плавиться, когда температура тигля (нижняя часть) составила около 1707.0°С. Было также признано, что исходный материал β–GaO был полностью расплавлен около 1712.0°С.
Однако, принимая во внимание износ термопары 32, использованной в эксперименте, считалось, что температура тигля (нижняя часть) была дополнительно повышена по сравнению с вышеупомянутым измеренным значением.
Как показано на фиг.7B, тигель из сплава Pt/Ir (74/26 масс.%) перед нагревом, показанный на фиг.7A, испытывал нерегулярную деформацию на поверхности его корпуса после нагревания, но сохранял первоначальную форму без плавления.
2
3
2
3
Исходя из вышеупомянутых результатов, устройство 10 для изготовления кристалла оксида галлия с использованием тигля из сплава на основе Pt–Ir (то есть тигля из сплава (Pt/Ir (74/26 масс.%)) в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения было способно осуществить выращивание кристалла оксида галлия (β–GaO) способом VB в атмосфере воздуха (в атмосфере) в соответствии с обычной процедурой. Использование тигля из сплава на основе Pt–Ir в качестве тигля 34, в отличие от случая элементарного вещества Ir, предотвратило окисление тигля независимо от парциального давления кислорода, превышающего несколько процентов, и за счет роста кристаллов в воздухе, который богат кислородом, кристалл оксида галлия (β–GaO) мог выращиваться без кислородных дефектов.
2
3
2
3
Кристалл оксида галлия (β–GaO) может быть надежно выращен путем выбора материала тигля и регулирования температуры роста кристаллов на основе температуры плавления β–GaO, полученной из эксперимента по плавлению.
2
3
2
3
2
3
Как описано выше, кристалл β–GaO формированный в тигле из сплава на основе Pt–Ir, показанный на фиг.6В, представлял собой бесцветный прозрачный кристалл, свойственный кристаллу β–GaO. С другой стороны, кристаллы β–GaO, сформированные в тиглях из сплавов на основе Pt–Rh, то есть Pt/Rh (80/20 масс.%) и Pt/Rh (70/30 масс.%), были окрашены в желтый или оранжевый цвет (не показано на рисунке).
2
3
Результаты анализа (содержание (ppm)) загрязнений (примесей) кристаллов β–GaO, выращенных с тиглями из сплавов Pt/Ir (74/26 масс.%), Pt/Rh (80/20 масс.%) и Pt/Rh (70/30 масс.%) показаны в таблице 2.
Таблица 2
Mg
Al
Si
Ca
Fe
Zr
Rh
Ir
Pt
Pt/Ir (74/26 масс.%)
–
5.4
4.2
–
6.2
–
0.01
4.5
1.7
Pt/Rh (70/30 масс.%)
–
1.2
8.5
–
4.3
–
55
–
0.04
Pt/Rh (80/20 масс.%)
0.32
0.65
14
0.99
9.9
0.02
24
0.02
0.04
2
3
2
3
Как показано в таблице 2, было подтверждено, что кристалл β–GaO, сформированный в тигле из сплава Pt/Rh (80/20 масс.%), имеет загрязнение родия (Rh), полученного из материала тигля, величиной 24 ppm, кристалл β–GaO, сформированный в тигле из сплава Pt/Rh (70/30 масс.%), имеет загрязнение им же величиной 55 ppm. Как описано выше, было подтверждено, что эти кристаллы окрашены в желтый или оранжевый цвет из–за элюирования и загрязнения родия (Rh), как материала тигля.
2
3
2
3
С другой стороны, было подтверждено, что кристалл β–GaO, сформированный в тигле из сплава Pt/Ir (74/26 масс.%), имеет загрязнение иридием (Ir), полученного из материала тигля, величиной 4,5 ppm, но имеет меньше примесей, полученных из материала тигля, по сравнению со сплавами на основе Pt–Rh. Как описано выше, кроме того, был сформирован бесцветный прозрачный кристалл свойственный кристаллу β–GaO без окраски (фиг.6Б).
2
3
2
3
2
3
Принимая во внимание процесс изготовления исходного материала β–GaO (β–GaO), использованного в эксперименте, нельзя полагать, что родий (Rh) и иридий (Ir) изначально содержались в качестве примесей в β–GaO.
2
3
Из упомянутых выше результатов было обнаружено, что при использовании материала сплава на основе Pt–Ir в качестве тигля для выращивания кристалла оксида галлия может быть выращен кристалл оксида галлия (β–GaO), имеющий высокую чистоту с меньшим количеством примесей без окрашивания, по сравнению с материалом сплава на основе Pt–Rh.
Настоящее изобретение не ограничено вышеупомянутыми вариантами осуществления, и в него могут быть внесены различные модификации, если только эти модификации не отклоняются от объема настоящего изобретения. В частности, хотя вариант осуществления способом VB (вертикальный способ Бриджмена) был описан для примера, настоящее изобретение может быть применено к способу HB (горизонтальный способ Бриджмена), способу VGF (способ вертикального градиента замораживания) и т.п.