CN104271815A - 用于利用含碳纤维材料生长iii族氮化物晶体的设备和通过其生长的iii族氮化物 - Google Patents

用于利用含碳纤维材料生长iii族氮化物晶体的设备和通过其生长的iii族氮化物 Download PDF

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CN104271815A CN201380019092.1A CN201380019092A CN104271815A CN 104271815 A CN104271815 A CN 104271815A CN 201380019092 A CN201380019092 A CN 201380019092A CN 104271815 A CN104271815 A CN 104271815A
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Abstract

在反应器容器中生长晶体的方法和设备，其中反应器容器利用含碳纤维材料作为结构元件，以在反应器容器中包含作为固体、液体或气体的用于生长晶体的材料，使得反应器容器可耐受晶体生长所需的压力或温度。含碳纤维材料封装反应器容器的至少一个组件，其中应力从被封装组件传递至含碳纤维材料。含碳纤维材料可缠绕被封装组件一次或多次，其足以维持被封装组件外部和内部之间的期望压力差。

Description

用于利用含碳纤维材料生长III族氮化物晶体的设备和通过其生长的III族氮化物
相关申请的交叉参考
本申请要求由Siddha Pimputkar、Paul Von Dollen、Shuji Nakamura和James S.Speck在2012年4月10日提交的名为“APPARATUS USED FOR THE GROWTH OFGROUP-III NITRIDE CRYSTALS UTIILIZING CARBON FIBER CONTAININGMATERIALS AND GROUP-III NITRIDE GROWN THEREWITH”的律师案卷号为30794.451-US-P1(2012-654-1)的美国临时专利申请序号61/622,232的根据35U.S.C.第119(e)节的权益，该申请被引入本文作为参考。
本申请涉及下列共同未决和共同受让的申请：
美国实用新型专利申请序号11/921,396，由Kenji Fujito、Tadao Hashimoto和Shuji Nakamura在2007年11月30日提交，名为“METHOD FOR GROWINGGROUP-III NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICAL AMMONIA USING ANAUTOCLAVE”，律师案卷号为30794.129-US-WO(2005-339-2)，该申请要求由KenjiFujito、Tadao Hashimoto和Shuji Nakamura在2005年7月8日提交的名为“METHODFOR GROWING GROUP-III NITRIDE CRYSTALS IN SUPERCRITICALAMMONIA USING AN AUTOCLAVE”的律师案卷号为30794.129-WO-01(2005-339-1)的P.C.T.国际专利申请序号US2005/024239的根据35U.S.C.第365(c)节的权益；
美国实用新型专利申请序号12/234,244，由Tadao Hashimoto和Shuji Nakamura在2008年9月19日提交，名为“GALLIUM NITRIDE BULK CRYSTALS ANDTHEIR GROWTH METHOD”，律师案卷号为30794.244-US-U1(2007-809-2)，该申请要求由Tadao Hashimoto和Shuji Nakamura在2007年9月19日提交的名为“GALLIUM NITRIDE BULK CRYSTALS AND THEIR GROWTH METHOD”的律师案卷号为30794.244-US-P1(2007-809-1)的美国临时专利申请序号60/973,662的根据35U.S.C.第119(e)节的权益；
美国实用新型专利申请序号11/977,661，由Tadao Hashimoto在2007年10月25日提交，名为“METHOD FOR GROWING GROUP-III NITRIDE CRYSTALS IN AMIXTURE OF SUPERCRITICAL AMMONIA AND NITROGEN,AND GROUP-IIINITRIDE CRYSTALS GROWN THEREBY”，律师案卷号为30794.253-US-U1(2007-774-2)，该申请要求由Tadao Hashimoto在2006年10月25日提交的名为“METHOD FOR GROWING GROUP-III NITRIDE CRYSTALS IN MIXTURE OFSUPERCRITICAL AMMONIA AND NITROGEN AND GROUP-III NITRIDECRYSTALS”的律师案卷号为30794.253-US-P1(2007-774)的美国临时专利申请序号60/854,567的根据35U.S.C.第119(e)节的权益；
美国实用新型专利申请序号13/128,083，由Siddha Pimputkar、Derrick S.Kamber、James S.Speck和Shuji Nakamura在2011年5月6日提交，名为“REACTORDESIGNS FOR USE IN AMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-III NITRIDECRYSTALS”，律师案卷号为30794.296-US-WO(2009-283-2)，该申请要求由SiddhaPimputkar、Derrick S.Kamber、James S.Speck和Shuji Nakamura在2009年11月4日提交的名为“REACTOR DESIGNS FOR USE IN AMMONOTHERMALGROWTH OF GROUP-III NITRIDE CRYSTALS”的律师案卷号为30794.296-WO-U1(2009-283-2)的P.C.T.国际专利申请序号PCT/US09/063239的根据35U.S.C.第365(c)节的权益，此申请要求由Siddha Pimputkar、Derrick S.Kamber、James S.Speck和Shuji Nakamura在2008年11月7日提交的名为“REACTORDESIGNS FOR USE IN AMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-III NITRIDECRYSTALS”的律师案卷号为30794.296-US-P1(2009-283-1)的美国临时专利申请序号61/112,560的根据35U.S.C.第119(e)节的权益；
美国实用新型专利申请序号13/128,088，由Siddha Pimputkar、Derrick S.Kamber、James S.Speck和Shuji Nakamura在2011年5月6日提交，名为“NOVELVESSEL DESIGNS AND RELATIVE PLACEMENTS OF THE SOURCEMATERIAL AND SEED CRYSTALS WITH RESPECT TO THE VESSEL FOR THEAMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-III NITRIDE CRYSTALS”，律师案卷号为30794.297-US-WO(2009-284-2)，该申请要求由Siddha Pimputkar、Derrick S.Kamber、James S.Speck和Shuji Nakamura在2009年11月4日提交的名为“NOVELVESSEL DESIGNS AND RELATIVE PLACEMENTS OF THE SOURCEMATERIAL AND SEED CRYSTALS WITH RESPECT TO THE VESSEL FOR THEAMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-III NITRIDE CRYSTALS”的律师案卷号为30794.297-WO-U1(2009-284-2)的P.C.T.国际专利申请序号PCT/US09/063238的根据35U.S.C.第365(c)节的权益，此申请要求由SiddhaPimputkar、Derrick S.Kamber、James S.Speck和Shuji Nakamura在2008年11月7日提交的名为“NOVEL VESSEL DESIGNS AND RELATIVE PLACEMENTS OFTHE SOURCE MATERIAL AND SEED CRYSTALS WITH RESPECT TO THEVESSEL FOR THE AMMONOTHERMAL GROWTH OF GROUP-III NITRIDECRYSTALS”的律师案卷号为30794.297-US-P1(2009-284-1)的美国临时专利申请序号61/112,552的根据35U.S.C.第119(e)节的权益；
P.C.T.国际专利申请序号PCT/US12/04675，由Siddha Pimputkar、ShujiNakamura和James S.Speck在2012年7月13日提交，名为“USE OF GROUP-III
2NITRIDE CRYSTALS GROWN USING A FLUX METHOD AS SEEDS FORAMMONOTHERMAL GROWTH OF A GROUP-III NITRIDE CRYSTAL”，律师案卷号为30794.419-WO-U1(2012-020-2)，该申请要求由Siddha Pimputkar和ShujiNakamura在2011年7月13日提交的名为“USE OF GROUP-III NITRIDECRYSTALS GROWN USING A FLUX METHOD AS SEEDS FORAMMONOTHERMAL GROWTH OF A GROUP-III NITRIDE CRYSTAL”的律师案卷号为30794.419-US-P1(2012-020-1)的美国临时专利申请序号61/507,170；和由Siddha Pimputkar和James S.Speck在2011年7月13日提交的名为“METHOD OFGROWING A BULK GROUP-III NITRIDE CRYSTAL USING A FLUX BASEDMETHOD THROUGH PREPARING THE FLUX PRIOR TO BRINGING IT INCONTACT WITH THE GROWING CRYSTAL”的律师案卷号为30794.421-US-P1(2012-022)的美国临时专利申请序号61/507,187的根据35U.S.C.第119(e)节的权益；
P.C.T.国际专利申请序号PCT/US12/04676，由Siddha Pimputkar、ShujiNakamura和James S.Speck在2012年7月13日提交，名为“METHOD FORIMPROVING THE TRANSPARENCY AND QUALITY OF GROUP-III NITRIDECRYSTALS AMMONOTHERMALLY GROWN IN A HIGH PURITY GROWTHENVIRONMENT”，律师案卷号为30794.422-WO-U1(2012-023-2)，该申请要求由Siddha Pimputkar和Shuji Nakamura在2011年7月13日提交的名为“HIGHERPURITY GROWTH ENVIRONMENT FOR THE AMMONOTHERMAL GROWTHOF GROUP-III NITRIDES”的律师案卷号为30794.422-US-P1(2012-023-1)的美国临时专利申请序号61/507,212；由Siddha Pimputkar、Shuji Nakamura和James S.Speck在2011年10月26日提交的名为“USE OF BORON TO IMPROVE THETRANSPARENCY OF AMMONOTHERMALLY GROWN GROUP-III NITRIDECRYSTALS”的律师案卷号为30794.438-US-P1(2012-248-1)的美国临时专利申请序号61/551,835；和由Siddha Pimputkar、Shuji Nakamura和James S.Speck在2011年10月27日提交的名为“USE OF SEMIPOLAR SEED CRYSTAL GROWTHSURFACE TO IMPROVE THE QUALITY OF AN AMMONOTHERMALLYGROWN GROUP-III NITRIDE CRYSTAL”的律师案卷号为30794.439-US-P1(2012-249-1)的美国临时专利申请序号61/552,276的根据35U.S.C.第119(e)节的权益；
美国实用新型专利申请序号13/744,854，由Paul Von Dollen、James S.Speck和Siddha Pimputkar在2013年1月18日提交，名为“CRYSTAL GROWTH USINGNON-THERMAL ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMAS”，律师案卷号为30794.444-US-U1(2012-456-2)，该申请要求由Paul Von Dollen、James S.Speck和Siddha Pimputkar在2012年1月18日提交的名为“CRYSTAL GROWTH USINGNON-THERMAL ATMOSPHERIC PRESSURE PLASMAS”的律师案卷号为30794.444-US-P1(2012-456-1)的美国临时专利申请序号61/588,028的根据35U.S.C.第119(e)节的权益；和
美国实用新型专利申请序号13/776,353，由Paul von Dollen在2013年2月25日提交，并且名为“ELECTROMAGNETIC MIXING FOR NITRIDE CRYSTALGROWTH”，律师案卷号为30794.447-US-U1(2012-506-2)，该申请要求由Paul vonDollen在2012年2月24日提交并且名为“ELECTROMAGNETIC MIXING FORNITRIDE CRYSTAL GROWTH”的律师案卷号为30794.447-US-P1(2012-506-1)的美国临时专利申请序号61/603,143的根据35U.S.C.第119(e)节的权益；
这些申请全部被引入本文作为参考。
联邦资助的研究和开发的相关声明
本发明是在国家科学基金会(NSF)授予的批准号DMR-0909203的政府资助下完成的。政府享有本发明的某些权利。
发明背景
1.发明领域。
本发明涉及III族氮化物晶体的生长设备，其中该设备利用含碳纤维的材料。
2.相关领域描述。
术语“(B,Al,Ga,In)N”或“III族氮化物”或“III-氮化物”或“氮化物”，如本文所用，等同于并且指代具有式BxAlyGa(1-x-y-z)InzN的任何半导体合金组成，其中0<＝x<＝1，0<＝y<＝1，0<＝z<＝1，并且x+y+z<＝1。此外，这些术语的使用意图被宽泛地解释为包括单个种类In、Al和Ga各自的氮化物以及这种III族金属种类的二重、三重和四重组成，包括但不限于，AlN、GaN、AlGaN、InAlN和InAlGaN的组成。进一步，本发明范围内物质可进一步包括多种掺杂物或其他杂质或其他内含物。
大块(bulk)III族氮化物晶体生长已被利用多种方法证明，包括氨热法和各种基于助熔剂的方法，如高氮压溶液生长和钠助熔剂法。所有这些方法的一个特征是呈现所有方法在高压和高温条件下操作时产生较好的结果。因此，一般有强烈的动机设计可耐高温(50℃-3000℃)和高压(20atm–40000atm)的大反应器。
虽然此任务目前利用钢基或镍-铬(Ni-Cr)基合金进行，但在高压和高温方面可获得的参数空间正要到达其极限((<4000atm和<600℃，对于Ni-Cr超合金而言)或(<100atm和<800℃，对于钢基反应器而言))，而且需要进一步的提高。另外，由于可被生产的具有足以用作高压釜的质量的铸锭尺寸的尺寸限制，关于可对反应器设计进行的规模缩放的绝对量存在限制。而且，由于涉及的金属的蠕变强度，操作温度和压力存在绝对极限。当前的技术已经达到这些极限。
因此，本领域需要可用于这种生长方法的新型材料。本发明满足这种需要。
发明概述
为了克服上述现有技术的局限和为了克服在阅读和理解本发明后显而易见的其他局限，本发明公开了用于生长晶体的方法和设备，包括反应器容器，其包括至少一个腔体(volume)——用于包含用于生长晶体的材料，其中反应器容器利用含碳纤维的材料作为结构元件，以在腔体内包含作为固体、液体或气体的材料，使得反应器容器可耐受晶体生长所需的压力或温度，其中压力范围为约20atm至约40,000atm并且温度范围为约50℃至约3000℃。含碳纤维的材料包括碳纤维或碳纤维复合物，其中碳纤维复合物基质可由碳、环氧树脂、聚合物、陶瓷、金属、玻璃、有机或无机化合物组成。
含碳纤维材料封装反应器容器的至少一个组件，其中来自被封装组件的应力传递至含碳纤维材料。具体地，含碳纤维材料可缠绕被封装组件一次或多次，以足以维持被封装组件外部和内部之间的期望压力差。反应器容器可包括一个或多个嵌套腔体，并且含碳纤维材料用作结构元件以在各嵌套腔体中包含作为固体、液体或气体的材料。
还可以有一个或多个另外的材料层，其涂覆含碳纤维材料或被封装组件，其中另外的材料层可包括内部或外部衬垫材料，并且用于：(1)保护含碳纤维材料或被封装组件，(2)提高含碳纤维材料或被封装组件维持特定压力或温度的能力，(3)使含碳纤维材料或被封装组件化学耐受接触含碳纤维材料或被封装组件布置的任何材料，(4)改善反应器容器中存在的杂质量，(5)从反应器容器去除物质，或(6)减少或改进反应器容器的质量损失。
附图简述
现参考附图，其中相同的参考编号始终代表相应的部件：
图1是普通工程材料的强度-对-温度的图；
图2是显示单独碳纤维的相对强度性质的拉伸强度-对-弹性模量的图；
图3是根据本发明一个实施方式的设备的示意图；和
图4是示例利用图3的设备生长化合物晶体如III族氮化物晶体的方法的流程图。
发明详述
在下文对优选实施方式的描述中参考附图，附图构成本文的一部分，并且其中通过示例显示可实践本发明的具体实施方式。要理解，可采用其他实施方式，并且可做出结构变化，而不脱离本发明的范围。
总述
III族氮化物晶体生长一般需要高于大气压的含氮气体。用于这些晶体生长的传统腔室利用钢或Ni-Cr超合金。这些反应器设计的当前应用已被推向这些材料可在其中被有效操作的极限。为进一步改善III族氮化物晶体的生长，需要在升高的操作温度下获得甚至更高的压力。碳纤维的应用提供了进一步扩展设计空间的手段，其中可通过使用超高强度材料构建反应器容器。碳纤维不仅强于钢或Ni-Cr，如使用恰当，可容易缩放规模并且可在超过2000℃的温度下操作。本发明造成以显著降低的成本、较高生产量、较高生长速率、较高质量、较高纯度和透明度生产大块III族氮化物。
设备描述
本发明在化合物晶体的反应器容器的构建中应用了基于或包含碳纤维的材料，如碳纤维复合物。利用这些材料，可以设计可耐受III族氮化物晶体生长所需的高压(20atm–40000atm)和高温(50℃-3000℃)的大规模反应器容器。
这部分是由于异常高强度的碳纤维方向的连接(bond)。总体而言，普通级钢在～600℃以下的温度下具有500–1000MPa的拉伸强度，并且超高强度钢在室温下具有上至3500MPa的拉伸强度，而碳纤维在上至至少2000℃的温度下具有～6000MPa的拉伸强度。碳纤维复合物实际上随温度增加而变得更强。
这反映在图1和图2中，图1是包括铝(Al)、钛(Ti)、镍(Ni)的普通工程材料与碳-碳复合物相比的强度(MPa)-对-温度(C)的图，图2是显示Ni-Cr超合金、马氏体时效钢或超高强度钢在低温下相对强度性质的以及商品聚丙烯腈(PAN)系和中间相沥青系碳纤维的相对强度性质的拉伸强度(GPa)-对-弹性模量(GPa)的图。
虽然碳纤维结构性质具有高度方向性，因此具有各向异性，但可以以适当的编织图案排列纤维，从而获得良好改造产品，以吸收沿任何预期方向的任何可施加的应力。进一步改造还允许生成热膨胀系数小于其封装的金属的热膨胀系数的材料。这可对高温应用具有相当的影响，因为当碳纤维系材料已缠绕金属系合金时，大量——若非全部——的应力可从金属系合金被传递至碳纤维复合物，从而进一步扩大反应器可安全操作的压力和温度范围。
本发明主张—但少量——任何含碳纤维材料在化合物晶体生长反应器容器设计中的应用。含碳纤维材料，最显著地碳纤维复合物，如碳纤维–碳、碳纤维–环氧树脂、碳纤维–聚合物、碳纤维–陶瓷、和碳纤维–金属复合物，被用于包含和生成处于封闭空间中的超高压腔体，该超高压腔体进而至少部分和在工艺的一些部分中用于生成化合物晶体。
图3是根据本发明一个实施方式用于生长晶体的设备的示意图，其包括反应器容器，该反应器容器包括至少一个腔体——用于包含生长晶体的材料，其中反应器容器利用含碳纤维材料作为结构元件以在腔体中包含作为固体、液体或气体的材料，使得反应器容器可耐受化合物晶体生长所需的压力或温度，例如，其中压力范围为约20atm至约40000atm并且温度范围为约50℃至约3000℃。
具体地，反应器300包括一个或多个嵌套容器，其被标记为内腔体302和外腔体302，其中任一者或二者全部可被密封或打开。内腔体302可以是管、圆筒、套筒或囊，并且完全被包含在外腔体304中，该外腔体304也可以是管、圆筒、套筒或囊。
容器其中一者或两者可被认为是化合物晶体——如利用含III族原料、III族氮化物晶种和含氮溶剂生长的III族氮化物晶体——生长的坩埚。通常，内腔体302和外腔体304一起用于实施一个或多个生长III族氮化物晶体的方法，其中该方法可包括基于助熔剂的方法，包括基于钠助熔剂的方法、基于高氮压溶液生长的方法或氨热法。
优选地，容器其中一者或两者可在上述宽压力和温度范围下操作。内腔体302和外腔体304其中一者或两者可由一种或多种能够耐受超高压和温度的材料组成，如金属、陶瓷、聚合物、碳纤维如碳纤维系复合物或其任意组合。
外腔体304的结构由高强度顶板和底板306、密闭材料管308和密闭高压密封体310限定，其中板306通过超高强度螺栓312偶联在一起。负荷承载含碳纤维材料314，如含石墨纤维材料314，被布置在管308的侧壁外侧，并且第一气隙316隔离碳纤维材料314与外部加热器318。热绝缘320被布置在外部加热器318的外侧，并且第二气隙316隔离热绝缘320与螺栓312。
具体地，外腔体304通过将管308夹在两板306之间而生成，该管308由可由金属制成的密闭材料组成，该板306也可由金属、陶瓷、含碳纤维材料或其任意组合制成。沿管308的中心线的压缩通过紧固两板306外周周围的螺栓312实现。通过改造，可以在管308和处于管308两端的两板306之间提供密闭密封体310。这实际上提供了气密密封的外腔体304，其中可布置任何气体、液体或固体。
管308外侧被含碳纤维材料314缠绕。由此，含碳纤维材料314封装反应器容器300的至少一个组件，其中来自被封装组件的应力被传递至含碳纤维材料314。此外，含碳纤维材料314可缠绕被封装组件一次或多次，其足以维持被封装组件外部和内部之间的期望压力差，例如维持跨越管308外部和管308内部的压力差。在其最基本形式下，本发明包括含碳纤维复合材料314包含在升高的压力和温度下处于外腔体304和内腔体302的封闭空间中的固体、液体、气体和/或超临界流体的应用。
含碳纤维材料314中的碳纤维可以是长的或短的，和连续的或不连续的。碳纤维可嵌入基质。此外，碳纤维可以如下形式编织或另外排列：多个串可相对于其他串以一个或多个角度延伸，从而提供含碳纤维材料314的另外的强度。
在一个实例中，含碳纤维材料314包括碳纤维复合物，其选自碳纤维–碳、碳纤维–环氧树脂、碳纤维–聚合物、碳纤维–陶瓷、和碳纤维–金属复合物。
含碳纤维材料314可缠绕另一材料，如含碳纤维材料、含金属材料、含陶瓷材料或其任意组合。
一个或多个另外的材料层可涂覆含碳纤维材料314或被封装组件。例如，内腔体302和外腔体304其中一者或两者的外部和/或内部可被一个或多个另外的材料层涂覆。另外，管308可由单个管或相互嵌套的多个管组成，以适应特定物理或化学性质。
具体地，这些另外的材料层可包括用于保护各种组件——即含碳纤维材料314、管308外部、外腔体304内部、和内腔体302内部和外部——的内部或外部衬垫材料。另外的材料层可用于：(1)保护含碳纤维材料314或被封装组件，(2)改善含碳纤维材料314或被封装组件以维持特定压力或温度的能力，(3)使含碳纤维材料314或被封装组件化学耐受接触含碳纤维材料314或被封装组件布置的任何材料，(4)改善反应器容器300中存在的杂质量(例如，防止污染物掺入内腔体302或外腔体304)，(5)从反应器容器300去除物质(例如，利用与氧反应形成二氧化钛的钛涂层从内腔体302或外腔体304去除氧)，或(6)通过利用至少一种在操作条件下具有低氢气渗透性的材料来减少氢气向内腔体302和/或外腔体304外的扩散。另外的材料层的实例可包括贵金属的涂层，如金、银、铂、铱、钯、等，尽管也可使用其他材料，包括非金属，如陶瓷或玻璃。
一个或多个另外的元件可存在于反应器容器300中，允许物质、带电粒子、光子、电场或磁场入或出反应器容器300。例如，另外的元件可包括导电线、光学透明材料、管或磁性材料。
在用含碳纤维材料314缠绕管308后，加热器318然后被布置在含碳纤维材料314外。这些加热器318无需也应当不必碰触含碳纤维材料314，并且加热器318和含碳纤维材料314之间可以有气隙316。加热器318然后可用于加热外腔体304和内腔体302，从而增加压力和创造适于III族氮化物晶体如GaN生长的环境。
外部加热器318可作为含碳纤维材料314外部的单独装置的存在，但也可被至少部分地或完全地合并到含碳纤维材料314本身中，或利用含碳纤维材料314本身作为加热器。这种组合将使含碳纤维材料314另外充当加热源，从而消除单独加热器318的需求。此外，含碳纤维材料314可用作散热器以及加热源。
由于外腔体304被气密密封，可以在相当高的温度下实现相当高的压力，因为超高强度螺栓312可安全地保持由压力施加于封堵管308的两板306的力。如果可将热绝缘材料320布置在加热器318和螺栓312之间，螺栓312的温度可以很低，完全处于螺栓312丧失任何显著强度以导致蠕变的温度以下。环向应力可从管308传递至外缠含碳纤维材料314。给定含碳纤维材料314的刚度和强度，纤维将提供所需强度，以防止管308的任何膨胀和防止蠕变和最终管308失效。由于碳纤维不在增加温度下损失强度(正相反，其随温度增加而更强)，含碳纤维材料314不会蠕变和因此导致管308毁灭性失效和破裂。
虽然本文描述的此实施方式使用了多个嵌套容器，即内腔体302和外腔体304，其中内腔体302完全被较大尺寸的外腔体304包围或嵌套在较大尺寸的外腔体304中，其他实施方式可使用两个以上的嵌套容器或仅一个容器。而且，虽然本文描述的实施方式仅描述了应用碳纤维系材料314的一个结构来保持由于压力升高产生的显著应力，但也可应用多个这样的结构，例如，各腔体302、304可应用这样的含碳纤维材料314。
注意，此实例不应以任何方式被视作限制，其被提供以证明本发明对于GaN氨热生长的一个可能的应用。
适用于钠助熔剂法的一个可选的实施方式将包括较大的外容器，其被设计为利用含碳纤维材料保持显著压力。在该大型外容器中，布置绝缘材料、加热器和较小内容器，该较小内容器也被设计为利用含碳纤维材料保持显著压力。绝缘材料可用于隔离加热器与较大外容器的碳纤维系元件，从而确保不超过特定临界温度。加热器继而被设计以加热较小内容器。然后III族氮化物晶体在较小内容器中生长，其中较小内容器可以或可不处于与较大外容器所保持的压力相同的压力。这种设计的益处允许：(i)在较小内容器中获得的绝对压力显著高于仅使用较大外容器能够获得的压力，和(ii)分离压力包含材料与温度暴露材料。
应用内部加热和应用降低含碳纤维材料的亲历温度(experienced temperature)的方法的一个动机是可使用较低温度应用优选的碳纤维复合物。一种这样的复合物包括使用碳纤维–聚合物基质(例如，碳纤维–环氧树脂复合物)，其目前在室温下被用于氢气储罐。
虽然可以应用如前文所述的内部加热，但这不是必须的，因为含碳纤维材料的其中一个强度是其在极端温度下保持其强度。这导致可以外部加热碳纤维封装腔体和按需在腔室中安排任何数量的元件，以实现III族氮化物晶体尽可能最佳生长。适于生长的环境可包括含氨、氮和氢的环境。一个或多个容器(vessel或container)可存在于碳纤维封装腔体中，以容纳液体，如熔融金属。
工艺描述
图4是示例根据本发明一个实施方式利用图3的设备生长化合物晶体如III族氮化物晶体的方法的流程图。
方框400表示将一个或多个III族氮化物晶种、一个或多个含III族原料和含氮溶剂置于反应器300中，其中晶种可被置于内腔体302中，原料可被置于外腔体304中，并且含氮溶剂在外腔体304和内腔体302之间被输送。(可选地，晶种可被置于外腔体304中，原料可被置于内腔体302中，并且含氮溶剂可在内腔体302和外腔体304之间被输送)。在一个实施方式中，晶种包括含III族晶体；原料包括含III族化合物、处于其纯元素形式的III族元素或其混合物，即，III族氮化物单晶体、III族氮化物多晶体、III族氮化物粉末、III族氮化物颗粒或其他含III族化合物；并且含氮溶剂是超临界氨或一种或多种其衍生物。此外，另外的材料或元件可存在于反应器容器300中。
方框402表示利用溶解在溶剂中的原料在晶种的一个或多个表面上生长III族氮化物晶体，其中生长条件包括形成晶种和原料之间的温度梯度，导致原料在一个区域(内腔体302或外腔体304)中的溶剂中溶解度较高和原料在另一区域(外腔体304或内腔体302)中的溶剂中与较高溶解度相比溶解度较低。具体地，在晶种的一个或多个表面上生长III族氮化物晶体通过如下发生：生成内腔体302和外腔体304之间溶剂温度梯度，产生原料在溶剂中的溶解度差别。例如，温度梯度可处于0℃和1000℃之间的范围。
方框404包括通过工艺生成的所得产品，即，在晶种上生长的一个或多个III族氮化物晶体。III族氮化物晶体被表征为AlxByGazIn(1-x-y-z)N，其中0<＝x<＝1，0<＝y<＝1，0<＝z<＝1，和x+y+z<＝1。例如，III族氮化物晶体可以是AlN、GaN、InN、AlGaN、AlInN、InGaN等。III族氮化物基底可由III族氮化物晶体生成，和可利用III族氮化物基底构建装置。
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结论
本段总结对本发明优选实施方式的描述。提供前文对本发明一个或多个实施方式的描述是为了示例和描述。其不意为是穷尽性的或将本发明限制于公开的确切形式。基于上文教导可以有不同的改进和改动。本发明的范围意图由所附权利要求限定，而非本文详述。

Claims (24)

1.用于生长晶体的设备，包括：
(a)反应器容器，包括至少一个腔体，所述至少一个腔体用于包含用于生长晶体的材料；
(b)其中所述反应器容器利用含碳纤维材料作为结构元件，包含用于在所述晶体生长所需的压力或温度下生长所述晶体的所述材料。
2.权利要求1所述的设备，其中所述含碳纤维材料包括碳纤维或碳纤维复合物，其中所述复合物的基质可由碳、环氧树脂、聚合物、陶瓷、金属、玻璃、有机或无机化合物组成。
3.权利要求1所述的设备，其中压力范围为约20atm至约40000atm，并且温度范围为约50℃至约3000℃。
4.权利要求1所述的设备，其中所述含碳纤维材料封装所述反应器容器的至少一个组件。
5.权利要求4所述的设备，其中应力从所述被封装组件传递至所述含碳纤维材料。
6.权利要求4所述的设备，其中所述含碳纤维材料缠绕所述被封装组件一次或多次，其足以维持所述被封装组件外部和内部之间的期望压力差。
7.权利要求1所述的设备，其中所述反应器容器包括一个或多个嵌套腔体，并且所述含碳纤维材料被用作结构元件，以在所述嵌套腔体中的至少一个中包含作为固体、液体、等离子体、超临界流体或气体的用于生长所述晶体的所述材料。
8.权利要求1所述的设备，进一步包括涂覆所述含碳纤维材料或所述被封装组件的一个或多个另外的材料层，其中所述另外的材料层包括内部或外部材料，并且用于：
(1)保护所述含碳纤维材料或所述被封装组件，
(2)改善所述含碳纤维材料或所述被封装组件维持特定压力或温度的能力，
(3)使所述含碳纤维材料或所述被封装组件化学耐受接触所述含碳纤维材料或所述被封装组件布置的任何材料，
(4)改善所述反应器容器中存在的杂质量，
(5)从所述反应器容器去除物质，或
(6)减少或改进所述反应器容器的质量损失。
9.权利要求1所述的设备，其中所述含碳纤维材料被用作加热源或散热器。
10.权利要求1所述的设备，其中一个或多个另外的元件存在于所述反应器容器中，允许物质、带电粒子、光子、电场或磁场入或出所述反应器容器。
11.权利要求10所述的设备，其中所述一个或多个另外的元件包括导电线、光学透明材料、管或磁性材料。
12.权利要求1所述的设备，其中用于生长所述晶体的所述材料包括含III族原料、III族氮化物晶种和含氮溶剂，并且所述晶体包括III族氮化物晶体。
13.生长晶体的方法，包括：
(a)在反应器容器中生长所述晶体，所述反应器容器包括至少一个腔体，所述至少一个腔体用于包含用于生长所述晶体的材料；
(b)其中所述反应器容器利用含碳纤维材料作为结构元件，以包含用于在所述晶体生长所需的压力或温度下生长所述晶体的所述材料。
14.权利要求13所述的方法，其中所述含碳纤维材料包括碳纤维或碳纤维复合物，其中复合物的基质可由碳、环氧树脂、聚合物、陶瓷、金属、玻璃、有机或无机化合物组成。
15.权利要求13所述的方法，其中压力范围为约20atm至约40000atm，并且温度范围为约50℃至约3000℃。
16.权利要求13所述的方法，其中所述含碳纤维材料封装所述反应器容器的至少一个组件。
17.权利要求16所述的方法，其中使应力从所述被封装组件传递至所述含碳纤维材料。
18.权利要求16所述的方法，其中所述含碳纤维材料缠绕所述被封装组件一次或多次，其足以维持所述被封装组件外部和内部之间的期望压力差。
19.权利要求13所述的方法，其中所述反应器容器包括一个或多个嵌套腔体，并且所述含碳纤维材料用作结构元件，以在所述嵌套腔体中的至少一个中包含作为固体、液体、等离子体、超临界流体或气体的用于生长所述晶体的所述材料。
20.权利要求13所述的方法，进一步包括涂覆所述含碳纤维材料或所述被封装组件的一个或多个另外的材料层，其中所述另外的材料层包括内部或外部材料，并且用于：
(1)保护所述含碳纤维材料或所述被封装组件，
(2)改善所述含碳纤维材料或所述被封装组件维持特定压力或温度的能力，
(3)使所述含碳纤维材料或所述被封装组件化学耐受接触所述含碳纤维材料或所述被封装组件布置的任何材料，
(4)改善所述反应器容器中存在的杂质量，
(5)从所述反应器容器去除物质，或
(6)减少或改进所述反应器容器的质量损失。
21.权利要求13所述的方法，其中所述含碳纤维材料用作加热源或散热器。
22.权利要求13所述的方法，其中一个或多个另外的元件存在于所述反应器容器中，允许物质、带电粒子、光子、电场或磁场入或出所述反应器容器。
23.权利要求22所述的方法，其中所述一个或多个另外的元件包括导电线、光学透明材料、管或磁性材料。
24.权利要求13所述的方法，其中用于生长所述晶体的所述材料包括含III族原料、III族氮化物晶种和含氮溶剂，并且所述晶体包括III族氮化物晶体。
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