CN104894644B - 一种氮化物晶体的生长装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化物晶体的生长装置及方法，包括反应釜和设在该反应釜内的坩埚，反应釜外围设有加热器，所述坩埚内设有隔板，该隔板将该坩埚内部空间分隔成相互独立的生长区和预生长区，生长区底部放置有籽晶，隔板下部设有导通孔，该导通孔使生长区和预生长区相互连通，隔板与坩埚底面的夹角为大于0度且小于或等于90度。通过对反应釜的倾斜操作，使得生长区和预生长区的溶液互相流动交换，使得籽晶区域的生长溶液的含N浓度较高，使氮化物晶体在源源不断的高N浓度生长溶液下高质量高速率生长。

Description

一种氮化物晶体的生长装置及方法

技术领域

本发明涉及半导体晶体材料生长装置和方法，具体地说是一种氮化物晶体的生长装置及方法。

背景技术

近年来，采用氮化镓（GaN）等氮化物半导体材料制造蓝色LED或白色LED、半导体激光器等半导体器件，并将该半导体器件用于各种电子设备的研究正在活跃地进行。作为GaN单晶材料生长方法之一的钠流法（Na flux method），凭借其适中的生长条件（700—1000℃，5MPa）、较低的位错密度（～10⁴ cm^-2）和较大的晶体尺寸（4 inch），成为制备高质量GaN单晶体材料的优选技术。钠流法中晶体生长的质量和速率直接与籽晶处附近Ga-Na溶液的N浓度相关。中国专利CN 1922345A提出采用摇摆的方式搅拌Ga-Na溶液，增加籽晶处溶液中N浓度，从而提高晶体生长速率。但该发明存在高N浓度溶液不能定向地向籽晶附近流动的缺陷；且摇摆时晶体生长溶液和籽晶随反应釜移动过于剧烈，不利于晶体生长的动态平衡。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种氮化物晶体的生长装置及方法，通过对反应釜的倾斜、还原等操作，使目标氮化物晶体在源源不断的较高N浓度的生长溶液下高质量高速率生长。

为此，本发明一方面提供一种氮化物晶体的生长装置，包括反应釜和设在该反应釜内的坩埚，反应釜外围设有加热器，所述坩埚内设有隔板，该隔板将该坩埚内部空间分隔成相互独立的生长区和预生长区，生长区底部放置有籽晶，隔板下部设有导通孔，该导通孔使生长区和预生长区相互连通。

所述隔板与坩埚底面的夹角为大于0度且小于或等于90度。

所述隔板的顶端表面为但不限于平面、规则曲面或凹凸面。

所述隔板上设置的导通孔的端口直径为0.01mm～12mm。

所述导通孔至少设置一个。该导通孔的面向生长区的端口直径与面向预生长区的端口直径相等或者相异。

本发明装置通过在坩埚内设置一隔板形成相互独立的生长区和预生长区，在隔板下部设置导通孔使生长区和预生长区相互连通，便于生长区和预生长区的生长溶液的流动交换，实现籽晶区域附近的生长溶液的含N浓度始终保持在较高水平，使得目标氮化物晶体在源源不断的高N浓度生长溶液下高质量高速率生长。

本发明还提供一种氮化物晶体的生长方法，包括以下步骤：

步骤1，坩埚内放置原材料，往反应釜内通入氮气，生长区底面放置籽晶，对反应釜进行加热升温和加压，生长区气液界面的生长溶液含N浓度高于该生长区下部的生长溶液含N浓度，预生长区气液界面的生长溶液含N浓度高于该预生长区下部的生长溶液含N浓度；

步骤2，摇动反应釜，使反应釜沿生长区方向倾斜，达到预定的倾斜角度后使该反应釜在预设的时间内保持不动，预生长区的生长溶液越过隔板顶端面流到生长区中并覆盖该生长区气液界面的表面，预生长区流到生长区的生长溶液溶解反应釜内的气体中的N，从而提高生长区气液界面的生长溶液的含N浓度；

步骤3，将倾斜的反应釜还原至初始位置，位于生长区下部的籽晶区域的生长溶液经隔板的导通孔流入到预生长区，生长区上部的生长溶液向下沉降至籽晶区域；

重复步骤2和步骤3，直到氮化物晶体生长完成，对反应釜降温降压排除废液并取出晶体。

本发明进一步提供另外一种氮化物晶体的生长方法，包括以下步骤：

步骤1，坩埚内放置原材料，往反应釜内通入氮气，生长区底面放置籽晶，对反应釜进行加热升温和加压，生长区气液界面的生长溶液含N浓度高于该生长区下部的生长溶液含N浓度，预生长区气液界面的生长溶液含N浓度高于该预生长区下部的生长溶液含N浓度；

步骤2，摇动反应釜，使反应釜沿预生长区方向倾斜，达到预定的倾斜角度后使该反应釜在预设的时间内保持不动，生长区的生长溶液越过隔板顶端面流到预生长区中并覆盖该预生长区气液界面的表面，生长区流到预生长区的生长溶液溶解反应釜内的气体中的N，从而提高预生长区气液界面的生长溶液的含N浓度，预生长区原来的上部的生长溶液则相对的向下沉降转移；

步骤3，将倾斜的反应釜还原至初始位置，位于预生长区下部的生长溶液经隔板的导通孔流入到生长区下部的籽晶区域；

重复步骤2和步骤3，直到氮化物晶体生长完成，对反应釜降温降压排除废液并取出晶体。

所述反应釜的倾斜角度为大于0度且小于90度。

本发明方法通过将反应釜倾斜操作，然后再使反应釜还原到原来初始位置，从而令生长区和预生长区的生长溶液流动交换，保证含N浓度较高的生长溶液向籽晶区域附近定向流动，使得目标氮化物晶体在源源不断的高N浓度生长溶液下高质量高速率生长。

附图说明

附图1为发明装置的结构示意图；

附图2为本发明装置中的隔板实施方式一结构示意图；

附图3为本发明装置中的隔板实施方式二结构示意图；

附图4为本发明方法中实施例一的倾斜状态示意图；

附图5为本发明方法中实施例一的还原状态示意图；

附图6为本发明方法中实施例二的倾斜状态示意图；

附图7为本发明方法中实施例二的还原状态示意图。

11：坩埚，12：隔板， 13：导通孔，14：反应釜，15：加热器，21：生长区，22：预生长区，3：生长溶液，4：籽晶。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述。

如附图1～3所示，一种氮化物晶体的生长装置，包括反应釜14和设在该反应釜14内的坩埚11，反应釜14外围设有加热器15，坩埚11内设有隔板12，该隔板12将该坩埚11内部空间分隔成相互独立的生长区21和预生长区22，生长区21底部放置有籽晶4，隔板12下部设有导通孔13，该导通孔13使生长区21和预生长区22相互连通。一般在反应釜的侧壁周围以及底部都设置加热器，此加热器的设置为常规手段，在此不再详述。根据虹吸原理，生长区和预生长区的溶液会经过导通孔相互流动，直至生长区和预生长区的生长溶液的液面高度一致。

隔板12与坩埚11底面的夹角为大于0度且小于或等于90度。即隔板可以沿坩埚的轴线方向竖直设置在该坩埚的正中位置，通常情况下隔板都设置在坩埚的底面中心部位。隔板也可以倾斜设置，呈一定的倾斜角度，即该隔板也坩埚底面之间具有一定的夹角。这个可根据实际需要进行设置，而较优的选择是将隔板竖直设置。

此外，隔板12的顶端表面为但不限于平面、规则曲面或凹凸面，或者是不规则的曲面，而且对于隔板的整体形状在此并无具体限制。隔板上设置的导通孔的端口直径为0.01mm～12mm，具体的尺寸大小可以具体选择。此外，导通孔的形状可以为圆形、方形、椭圆形或者其他形状，在此没有限定。导通孔可设置一个、两个或者更多个。

如附图2所示，隔板12的顶端表面为平面，导通孔13的形状为圆形，并且同一导通孔的两端孔口的直径大小并不相等。或者如附图3所示，隔板12的顶端面为凹凸面，导通孔13为矩形状，并且同一导通孔的两端孔口的直径大小相等。当然，隔板和导通孔还可以为其他形状，在此不一一列举。

本发明装置通过在坩埚内设置一隔板形成相互独立的生长区和预生长区，在隔板下部设置导通孔使生长区和预生长区相互连通，便于生长区和预生长区的生长溶液的流动交换，实现籽晶区域附近的生长溶液的含N浓度始终保持在较高水平，使得目标氮化物晶体在源源不断的高N浓度生长溶液下高质量高速率生长。

本发明还提供一种氮化物晶体的生长方法，该生长方法具有以下两个较佳的实施例。

实施例一，如附图4和5所示，一种氮化物晶体的生长方法，包括以下步骤：

步骤1，坩埚11内放置原材料，往反应釜内通入氮气，生长区底面放置籽晶，然后密封反应釜，对反应釜进行加热升温和加压，压力和温度只需要达到籽晶的生长要求即可，此为本领域公知常识，在此不再详细赘述。由于坩埚上部的生长溶液溶解的N较多，因此其含N浓度比坩埚下部的生长溶液的含N浓度高，而且底部籽晶附近的生长溶液被生长晶体所消耗，因此含N浓度也相对较低。此时，生长区气液界面的生长溶液含N浓度高于该生长区下部的生长溶液含N浓度，预生长区气液界面的生长溶液含N浓度高于该预生长区下部的生长溶液含N浓度。

步骤2，摇动反应釜，使反应釜沿生长区方向倾斜，达到预定的倾斜角度后使该反应釜在预设的时间内保持不动，预生长区22的生长溶液越过隔板12顶端面流到生长区21中并覆盖该生长区气液界面的表面，预生长区流到生长区的生长溶液溶解反应釜内的气体中的N，从而提高生长区气液界面的生长溶液的含N浓度。此时生长区的生长溶液的高度高于预生长区的生长溶液的高度。其中，该倾斜角度可以为20度、30度、40度或者其他角度，在此并无限制，该倾斜角度 是指反应釜与水平面之间的夹角。在本实施例一中，反应釜的倾斜角度为30度，预生长区22内的生长溶液3越过隔板12流入生长区21内，覆盖原来的生长区21气液界面的生长溶液3的表面，溶解反应釜内的气体中的N，从而提高该生长溶液3的含N浓度。

步骤3，将倾斜的反应釜还原至初始位置，位于生长区下部的籽晶区域的生长溶液经隔板的导通孔13流入到预生长区，生长区上部的生长溶液向下沉降至籽晶区域。生长区下部的生长溶液反应后含N浓度降低，经隔板的导通孔较为缓慢的流入到预生长区，通过调整导通孔的孔径尺寸大小及形状等因素，可以有效调节至适合于晶体的生长状态，生长区上部的较高N浓度的生长溶液3接近生长区下部籽晶4附近，促进目标氮化物晶体的生长。

重复步骤2和步骤3，直到氮化物晶体生长完成，对反应釜降温降压排除废液并取出晶体。即不断的对反应釜进行倾斜、还原操作，使得目标氮化物晶体在源源不断的较高含N浓度生长溶液3下高质量高速率生长；当目标氮化物晶体达到目标厚度后，降压排除废液并取出晶体。完成氮化物晶体的生长。

实施例二，如附图6和7所示，一种氮化物晶体的生长方法，本实施例二与实施例一的区别主要在于，对反应釜的倾斜方向不同，具体如下：

步骤1，坩埚11内放置原材料，往反应釜内通入氮气，生长区底面放置籽晶，对反应釜进行加热升温和加压，生长区气液界面的生长溶液含N浓度高于该生长区下部的生长溶液含N浓度，预生长区气液界面的生长溶液含N浓度高于该预生长区下部的生长溶液含N浓度。

步骤2，摇动反应釜，使反应釜沿预生长区方向倾斜，达到预定的倾斜角度后使该反应釜在预设的时间内保持不动，生长区21的生长溶液越过隔板12顶端面流到预生长区22中并覆盖该预生长区气液界面的表面，生长区流到预生长区的生长溶液溶解反应釜内的气体中的N，从而提高预生长区气液界面的生长溶液的含N浓度，预生长区原来的上部的生长溶液则相对的向下沉降转移。本实施例二中反应釜的倾斜角度为40度，当然也还可以为其他的角度，如30度，50度或者其他，在此不一一列举。由于是向预生长区倾斜，因此是生长区上部的生长溶液越过隔板流向预生长区。由于预生长区的底部没有放置籽晶，因此预生长区下部的生长溶液不会被籽晶消耗，使得预生长区下部的生长溶液的含N浓度相对于生长区下部籽晶附近的生长溶液的含N浓度较高。并且随着预生长区上部的溶液不断的下降转换，使得预生长区下部的生长溶液的含N浓度逐渐提高。

步骤3，将倾斜的反应釜还原至初始位置，位于预生长区22下部的生长溶液经隔板12的导通孔13流入到生长区21下部的籽晶4区域。将反应釜还原后，由于预生长区的生长溶液的液面高度高于生长区，因此，预生长区的生长溶液经隔板的导通孔流入到生长区的下部即籽晶附近区域，从而提高生长区的籽晶附近的生长溶液的含N浓度，促进氮化物晶体的生长。

重复步骤2和步骤3，直到氮化物晶体生长完成，对反应釜降温降压排除废液并取出晶体。不断的倾斜和还原反应釜，直到氮化物晶体生长完成。

以上的实施例一和实施例二中，以坩埚的倾斜和还原作为说明，为了便于更加清楚直观的体现，因而将反应釜去除，在实际操作中，是对反应釜进行倾斜和还原操作，从而带动反应釜内的坩埚的倾斜和还原。

需要说明的是，以上所述并非是对本发明的技术方案的限定，在不脱离本发明的创造构思的前提下，任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种氮化物晶体的生长方法，该方法基于氮化物晶体生长装置，该装置包括反应釜和设在该反应釜内的坩埚，反应釜外围设有加热器，坩埚内设有隔板，该隔板将该坩埚内部空间分隔成相互独立的生长区和预生长区，生长区底部放置有籽晶，隔板下部设有导通孔，该导通孔使生长区和预生长区相互连通，该方法包括以下步骤：

步骤1，坩埚内放置原材料，往反应釜内通入氮气，生长区底面放置籽晶，对反应釜进行加热升温和加压，生长区气液界面的生长溶液含N浓度高于该生长区下部的生长溶液含N浓度，预生长区气液界面的生长溶液含N浓度高于该预生长区下部的生长溶液含N浓度；

步骤2，摇动反应釜，使反应釜沿生长区方向倾斜，达到预定的倾斜角度后使该反应釜在预设的时间内保持不动，预生长区的生长溶液越过隔板顶端面流到生长区中并覆盖该生长区气液界面的表面，预生长区流到生长区的生长溶液溶解反应釜内的气体中的N，从而提高生长区气液界面的生长溶液的含N浓度；

步骤3，将倾斜的反应釜还原至初始位置，位于生长区下部的籽晶区域的生长溶液经隔板的导通孔流入到预生长区，生长区上部的生长溶液向下沉降至籽晶区域；

重复步骤2和步骤3，直到氮化物晶体生长完成，对反应釜降温降压排除废液并取出晶体。

2.根据权利要求1所述的氮化物晶体的生长方法，其特征在于，所述反应釜的倾斜角度为大于0度且小于90度。

3.一种氮化物晶体的生长方法，该方法基于氮化物晶体生长装置，该装置包括反应釜和设在该反应釜内的坩埚，反应釜外围设有加热器，坩埚内设有隔板，该隔板将该坩埚内部空间分隔成相互独立的生长区和预生长区，生长区底部放置有籽晶，隔板下部设有导通孔，该导通孔使生长区和预生长区相互连通，该方法包括以下步骤包括以下步骤：

步骤1，坩埚内放置原材料，往反应釜内通入氮气，生长区底面放置籽晶，对反应釜进行加热升温和加压，生长区气液界面的生长溶液含N浓度高于该生长区下部的生长溶液含N浓度，预生长区气液界面的生长溶液含N浓度高于该预生长区下部的生长溶液含N浓度；

步骤2，摇动反应釜，使反应釜沿预生长区方向倾斜，达到预定的倾斜角度后使该反应釜在预设的时间内保持不动，生长区的生长溶液越过隔板顶端面流到预生长区中并覆盖该预生长区气液界面的表面，生长区流到预生长区的生长溶液溶解反应釜内的气体中的N，从而提高预生长区气液界面的生长溶液的含N浓度，预生长区原来的上部的生长溶液则相对的向下沉降转移；

步骤3，将倾斜的反应釜还原至初始位置，位于预生长区下部的生长溶液经隔板的导通孔流入到生长区下部的籽晶区域；

重复步骤2和步骤3，直到氮化物晶体生长完成，对反应釜降温降压排除废液并取出晶体。

4.根据权利要求3所述的氮化物晶体的生长方法，其特征在于，所述反应釜的倾斜角度为大于0度且小于90度。