CN105780124B - 一种激光辅助iii-v族晶体生长装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光辅助III‑V族晶体生长装置，包括：反应釜，反应釜内填充的反应物溶液，浸没在其中的晶种模板，激光发射、接收装置，激光入射、出射窗口。同时公开了一种激光辅助III‑V族晶体生长方法：将晶种模板设置于反应釜溶液中的特定位置‑即激光路径上，采用其频率与晶体生长装置中的晶体或生长原料的原子谐振频率或分子谐振频率相同的激光，辅助反应物溶液中晶体液相外延生长。本发明，能有效提高反应速率和晶体质量，且可控性好。

Description

一种激光辅助III-V族晶体生长装置及方法
技术领域
本发明涉及半导体光电子技术领域，尤其涉及一种激光辅助III-V族晶体生长装置及方法。
背景技术
III-V族晶体如氮化镓等，具有高频、低杂音、高效率以及低耗电等特性，可以应用在光纤通讯、无线通讯、卫星通讯等商业用途和国防用途，具备较大的应用价值。
目前制备氮化镓等晶体通常采用气相法合成，虽然速率相比于其他方法具有优势，但晶体质量却有待进一步提高。相比之下，液相法合成晶体质量相对较高，而且也具有可观的生长速率，渐渐成为了研究热点，如钠助熔剂法等。然而，目前的助熔剂法等液相法，由于反应物溶液中难以大量溶解反应气体，晶体的生长速率较慢，晶体质量也需进一步提高，如何增大反应气体如氮气，在反应物溶液中的溶解度，成为钠助熔剂法生长氮化镓晶体的关键技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能够增大氮气在Ga-Na溶液中溶解度的装置和方法，从而提高氮化镓单晶晶体质量及生长速率。
本发明采取以下技术方案：
一种激光辅助III-V族晶体生长装置，包括反应釜、反应釜内填充的反应物溶液、浸没在反应物溶液中的晶种模板、还包括激光装置，所述激光装置包括激光发射装置和激光接收装置以及设置在反应釜侧壁上的激光入射窗口和激光出射窗口；所述晶种模板，浸没在反应釜溶液中的激光路径上，所述激光路径，处于激光入射窗口和激光出射窗口之间，是可以实时调节的；所述激光发射装置发射特定频率的激光，通过激光入射窗口、反应物溶液、激光出射窗口后，到达激光接收装置。
所述激光发射装置发射激光，其激光频率、激光能量是可以调节的；所述激光接收装置接收激光并输出反馈信号。
所述激光频率，调至晶体生长装置中晶体或生长原料的原子谐振频率或分子谐振频率。
所述激光装置，其数量至少为1组。
一种激光辅助III-V族晶体生长方法，其步骤如下：①调整晶种模板至反应釜的特定位置-即激光路径上，晶种模板与水平方向间的角度为0～90度，并往反应釜内放置反应物原材料；②密封反应釜，开动气源，并对反应釜进行加热，使反应釜的压力达到1～50MPa，温度达到700～1000℃；③当温度压力达到步骤②所述条件时，打开激光发射装置、激光接收装置，预调激光频率，使其频率与晶体生长装置中的晶体或生长原料的原子谐振频率或分子谐振频率基本相同；④调节反馈信号，调控激光频率、激光能量、及晶种模版在激光路径中所处位置，至接近最佳工作状态；⑤晶体生长：在此过程中，反复细调反馈信号、激光频率、激光能量、晶种模板所处激光路径，使晶体生长反应速率及晶体质量均调至最佳状态；⑥晶体生长达到目标厚度后，关闭激光发射及接收装置，关闭气源及加热装置，待反应釜冷却至室温，取出晶体，晶体生长结束。
本发明具有以下有益效果：
1.调节激光频率，使频率等于氮气分子键的谐振频率，断裂氮气分子为活性氮，从而增大反应物溶液中氮源，加速晶体生长和提高晶体质量。
2.调节激光频率，使频率等于氮化镓分子键的谐振频率，断裂气液界面多晶层分子，使氮化镓重新融入反应物溶液中参与反应，以提高原材料利用率的同时消除多晶层。
3.激光能量直接作用于溶液，降低反应温度。
附图说明
附图1为本发明实施例一的结构示意图；
附图2为本发明实施例二的结构示意图；
附图3为本发明实施例三的结构示意图；
附图标注说明：
实施例一中：10：反应釜；11：激光入射窗口；12：氮气入口；13：反应物溶液；14：晶种模板；15：激光发射装置；16：激光接收装置；17：激光出射窗口；
实施例二中：20：反应釜；21：激光入射窗口；22：氮气入口；23：反应物溶液；24：晶种模板；25：激光发射装置；26：激光接收装置；27：激光出射窗口；
实施例三中：30：反应釜；31：激光入射窗口；32：氮气入口；33：反应物溶液；34：晶种模板；35：激光发射装置；36：激光接收装置；37：激光出射窗口；
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。
实施例一，如附图1所示，反应釜10内设置有反应物溶液13，反应釜10内设置有晶种模板14，晶种模板与水平方向间的角度为0度，反应釜溶液13浸没晶种模板14，反应釜10设置有氮气进气口12，反应釜壁上设置有激光入射窗口11。激光装置包括激光发射装置15和激光接收装置16；激光发射装置15发射特定频率的激光，通过激光入射窗口11、反应物溶液13、激光出射窗口17后，到达激光接收装置16，被接收并输出反馈信号，从而调节激光的能量和路径等。晶种模板14位于反应釜10底部，浸没在反应釜溶液13中，晶种表面与激光路径相平行。调节激光的频率，使频率等于氮气分子键的谐振频率，会断裂氮气分子为活性氮，增大反应物溶液中氮源，从而加速晶体生长和提高晶体质量。并且，激光频率等于氮化镓分子键的谐振频率，会断裂气液界面多晶层分子，使其重新融入反应物溶液中参与反应，从而提高原材料利用率的同时消除了多晶层。此外，激光的能量直接作用于溶液，可以降低反应温度。
实施例二，如附图2所示，反应釜20内设置有反应物溶液23，反应釜20内设置有晶种模板24，晶种模板与水平方向间的角度为30度，反应釜溶液23浸没晶种模板24，反应釜20设置有氮气进气口22，反应釜壁上设置有激光入射窗口21、激光出射窗口27。激光装置包括激光发射装置25和激光接收装置26，激光发射装置25发射特定频率的激光，通过激光入射窗口21进入反应物溶液23中，经过反应物溶液23、通过激光出射窗口27，被激光接收装置26接收并输出反馈信号，借此调节激光的能量和路径等。激光倾斜入射反应物溶液23中，晶种模板24倾斜放置，晶种模板24表面位于激光路径上，晶种模版24表面与激光路径相平行。调节激光的频率，使频率等于氮气分子键的谐振频率，会断裂氮气分子为活性氮，断裂的活性氮可直接在晶种模板24表面合成氮化镓，加速晶体生长和提高晶体质量。此外，激光的能量直接作用于溶液，降低反应温度。
实施例三，如附图3所示，反应釜30内设置有反应物溶液33，反应釜30内设置有晶种模板34，反应釜溶液33浸没晶种模板34，反应釜30设置有氮气进气口32，反应釜壁上设置有激光入射窗口31、激光出射窗口37。激光装置包括激光发射装置35和激光接收装置36，激光发射装置35发射特定频率的激光，通过激光入射窗口31，进入反应物溶液33中，并通过激光接收装置36接收和反馈信号，从而调节激光的能量和路径等。本实施例使用双激光进行辅助，激光路径在反应物溶液33中汇合，激光倾斜射入反应物溶液中，晶种模板34表面位于激光路径上。调节激光的频率，使频率等于氮气分子键的谐振频率，断裂氮气分子为活性氮，增大了反应物溶液中氮源，加速晶体生长和提高晶体质量。
需要说明的是，以上所述并非是对本发明技术方案的限定，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 (5)

1.一种激光辅助III-V族晶体生长装置，包括：反应釜、反应釜内填充的反应物溶液、浸没在反应物溶液中的晶种模板，其特征在于：还包括激光装置，所述激光装置包括激光发射装置和激光接收装置以及设置在反应釜侧壁上的激光入射窗口和激光出射窗口；所述晶种模板，浸没在反应釜溶液中的激光路径上，所述激光路径，处于激光入射窗口和激光出射窗口之间；所述激光发射装置发射特定频率的激光，通过激光入射窗口、反应物溶液、激光出射窗口后，到达激光接收装置。
2.根据权利要求书1所述的一种激光辅助III-V族晶体生长装置，其特征在于，所述激光发射装置，发射激光，其激光频率、激光能量可以调节；所述激光接收装置，接收由激光出射窗口射出的激光并输出反馈信号。
3.根据权利要求书1所述一种激光辅助III-V族晶体生长装置，其特征在于，所述激光路径，是可以实时调节的。
4.根据权利要求书1～3中任意一项权利要求所述的一种激光辅助III-V族晶体生长装置，其特征在于，所述激光装置，其数量至少为1组。
5.一种激光辅助III-V族晶体生长方法，其步骤如下：
①调整晶种模板至反应釜的激光路径上，晶种模板与水平方向间的角度为0～90度，并往反应釜内放置反应物原材料；
②密封反应釜，开动气源，并对反应釜进行加热，使反应釜的压力达到1～50MPa，温度达到700～1000℃；
③当温度压力达到步骤②所述条件时，打开激光发射装置、激光接收装置，预调激光频率，使其频率与晶体生长装置中的晶体或生长原料的原子谐振频率或分子谐振频率基本相同；
④调节反馈信号，调控激光频率、激光能量、及晶种模版在激光路径中所处位置，至最佳工作状态；
⑤晶体生长：在此过程中，反复细调反馈信号、激光频率、激光能量、晶种模版所处激光路径，使晶体生长反应速率及晶体质量均调至最佳状态；
⑥晶体生长达到目标厚度后，关闭激光发射及接收装置，关闭气源及加热装置，待反应釜冷却至室温，取出晶体。
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