CN105986313A - 一种镓源自动补给及回收装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种镓源自动补给及回收装置，设计了一种含镓舟、连通器、控制阀、附加镓舟、加热器、液位控制器、控制系统及发动机的镓源自动补给及回收装置。利用连通器的工作原理，设计控制镓源的自动补给及回收，解决HVPE技术生长氮化物半导体材料过程中，因金属镓源不断地被消耗，镓源液面不断降低，而导致在相同工艺条件下，生成的氯化镓浓度减少，严重影响氮化物材料的生长系统中源材料供给的均匀稳定性，使HVPE外延生长中出现晶体生长速率下降、晶体膜厚的工艺重复性较差，以及HVPE机台维护时残留在镓舟内剩余镓源的回收重复利用等问题。本发明装置结构合理紧凑、操作简便，能更好地保证镓源的及时补给，提高HVPE反应系统的稳定性及可靠性，增加HVPE设备的使用寿命，同时还可以利用连通器回收未用完的金属镓源，提高镓源的利用率，极具实用价值。

Description

一种镓源自动补给及回收装置

技术领域

本发明涉及半导体材料与设备技术领域，特别涉及氢化物气相外延(HVPE)技术生长氮化物半导体材料时，一种镓源自动补给及回收装置。

背景技术

III族氮化物半导体薄膜材料，特别是宽禁带直接带隙的氮化镓(GaN)，作为第三代半导体材料的典型代表，具有高热导、高电子迁移率、高击穿电压及抗辐射等优异的性能，在制造高频、高温、大功率的光电子器件等方面具有巨大的应用前景。目前，GaN单晶的主要制备方法有：分子束外延(MBE)法、高压溶液法、金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法、氢化物气相外延(HVPE)法等。在多种GaN的生产技术中，HVPE是一种比较经典的常压热壁化学气相沉积技术，其生长速率较快，一般可以达到300μm/h，生长工艺较为简单，可以生长较厚的GaN层等显著优点，十分适合制备自支撑氮化物衬底材料。

HVPE生长氮化物的主要原理是：以金属镓作为III族镓源，氨气(NH₃)作为V族氮源，氯化氢(HCl)作为反应气体并在载气(氢气或是氮气)的携带下，通过镓舟，与其中的金属镓发生化学反应，生成氯化镓(GaCl)，在衬底上方与NH₃反应生成GaN，并在衬底上沉积，主要的化学反应如下：

2HCl_(g)+2Ga_(l)＝2GaCl_(g)+H_2(g)

GaCl_(g)+NH_3(g)＝GaN_(S)+HCl_(g)+H_2(g)

然而，采用HVPE技术生长氮化物半导体材料过程中，金属镓不断地被消耗，镓源液面不断下降，导致在相同工艺条件下，生成的GaCl浓度减少，严重影响氮化物材料的生长系统中源材料供给的均匀稳定性，生长速率也随之降低，最终无法精确控制生长膜层的厚度及晶体质量，使HVPE外延生长厚膜的工艺重复性较差，氮化物产品的良率与可靠性难以控制，极大地限制了HVPE技术在生长氮化物厚膜中的广泛应用，而且在HVPE设备维护之时，镓舟内未用完的金属镓源，在维护之后由于金属镓源被氧化而需要另外提纯，增加了生产成本。因此，不少业内人士在不影响腔体反应的前提下，有效地改善石英器件的结构设计，希望通过此来解决因为镓源的不断消耗所带来的系列的影响，但是目前也没有良好的方法有效解决此问题。

发明内容

本发明针对背景技术中所提出的问题及现有技术的不足，提出一种镓源自动补给及回收装置，并根据HVPE设备反应环境和连通器的工作原理，设计了一种含镓舟、连通器、控制阀、附加镓舟、加热器、液位控制器、控制系统及发动机组成的镓源自动补给及回收装置，最大限度解决镓源不断被消耗且不能及时补给而导致的镓源液面下降影响晶体生长速率与质量和HVPE机台维护时镓舟内剩余镓源的回收重复利用等问题。本发明的一种镓源自动补给及回收装置的设计结构，利用连通器的工作原理，当镓舟内的镓源液面高度低于或高于设定的镓源液面高度时，系统发出信号，控制器接收信号后，将会在预设的时间内控制镓源供应系统的开启和关闭，从而实现对镓舟中镓源的定时补给。在HVPE机台维护前，通过控制器打开控制阀门，让镓舟内剩余的金属镓源通过连通器进入附加镓源装置，以此达到镓源的重复回收再利用的目的。与此同时，反应腔体外装置与反应腔体内装置可拆卸分开，因此在HVPE机台维护时只需拆下反应腔体内的装置，勿需拆下整体设备进行处理，从而提高设备的利用率，并能保持附加镓舟内镓源的品质，提高控制系统的稳定性和可靠性，而且所用装置的结构简单，更有效地降低生产成本。

具体技术方案如下：

本发明所述一种镓源自动补给及回收装置，包括镓舟、连通器、控制阀、附加镓舟、加热器、液位控制器、控制系统及发动机。

所述一种镓源自动补给及回收装置，所述镓舟安装在反应腔体内，主要用于存放金属镓源，而且镓舟内设定的镓源液面高度(其最大及最小高度)始终处于待生长氮化镓厚膜所需的最佳的镓源液面高度范围，以保证氮化物的最佳生长速率及晶体质量。

所述一种镓源自动补给及回收装置，所述连通器管道的两端分别与镓舟底端和附加镓舟的顶端连通，而且其最高点处的高度高于镓舟内设定的镓液面高度并具有一定的高度差，所述高度差根据所述镓舟内压力与所述附加镓舟内压力差设定，以保证连通器能更好、更精确地反应镓舟内金属镓的液位情况及连通器的正常工作，当镓舟内的镓液位低于设定的镓源液面高度时，系统发出信号并自动补充镓源进镓舟内。

所述一种镓源自动补给及回收装置，所述控制阀设置在连通器管路上，且与所述控制系统相连，由控制系统控制该阀开启和关闭连通器管路。

所述一种镓源自动补给及回收装置，所述附加镓舟、加热器、控制系统、控制阀及发动机均安装在反应腔体外。

所述一种镓源自动补给及回收装置，所述附加镓舟主要用于存放金属镓源，其分别与发动机、液位控制器、控制系统及加热器相连接；所述加热器主要用于加热附加镓舟里的金属镓源，所述液位控制器安装在附加镓舟内并与控制系统连接，主要用于监测附加镓舟内的镓源的液面高度，若附加镓舟内镓源的液面高度低于预设警告高度时，则液位控制器向所述控制系统发送警告信号，控制系统接收到警告信号后进行自动关闭发动机，并同时发出警告信号提示及时补充镓源进附加镓舟内。

所述一种镓源自动补给及回收装置，所述发动机的一端从附加镓舟的一侧面伸入其底部，另一端与通过发动机的注液口与镓舟连通，以此组成镓源供应系统，用于向镓舟自动供给镓源的作用。

所述一种镓源自动补给及回收装置，所述反应腔体外装置与反应腔体内装置可拆卸分开，以便保证附加镓舟内镓源的品质，提高控制系统的稳定性和可靠性。

本发明的显著优点如下：

1、本发明的一种镓源自动补给及回收装置，利用所述连通器的工作原理，同时实现对镓舟中镓源的定时补给及达到镓源的重复回收再利用的目的，而且所用装置的结构简单，成本很低，具有很大的实用价值。

2、本发明的一种镓源自动补给及回收装置，利用所述控制系统控制镓源的定时自动补给，实现自动化的控制，而且精确度和可靠性较高。

3、本发明一种镓源自动补给及回收装置，所述反应腔体外装置与反应腔体内装置可拆卸分开，因此HVPE设备维护时只需要拆下反应腔体内装置，勿需拆下整体设备进行处理，从而不但能够有效回收镓舟内未用完的镓源，同时更好地保证附加镓舟内镓源的品质，提高控制系统的稳定性和可靠性，更有效地降低生产成本。

附图说明

附图1是本发明中一种镓源自动补给及回收装置示意图。

1、镓舟，2、连通器，3、控制阀，4、附加镓舟，5、加热器，6、液位控制器，7、控制系统，8、发动机，9、镓源补给管道，10、镓舟内设定的最高的镓源液面高度，11、镓舟内设定的最低的镓源液面高度

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案、设备特征及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明作进一步的详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解析本发明，并不用于限制本发明的权利要求范围。

本发明提出的根据HVPE设备反应环境和连通器的工作原理，提出一种含镓舟、连通器、控制阀、附加镓舟、加热器、液位控制器、控制系统及发动机组成的镓源自动补给及回收装置，能从根本上解决镓源不断被消耗而导致镓源液面下降影响晶体生长速率与晶体质量的问题，以及HVPE机台维护时留在镓舟内剩余镓源的回收重复利用等问题，是一种高效镓源的自动补给及回收的新技术。

实施例一：

如附图所示，一种含镓舟、连通器、控制阀、附加镓舟、加热器、液位控制器、控制系统及发动机组成的镓源自动补给及回收装置。当连通器内金属镓源处于静态时，其两边受力平衡，即根据连通器工作原理：P₁+ρgH₁＝P₂+ρgH₂，其中，P₁为镓舟1内部的压强，H₁为镓舟1内金属镓的液面高度，P₂为附加镓舟4内部压强，H₂为连通器管路2中管道液面高度，ρ为金属镓的密度，g为重力加速度，即可以得出H₂-H₁＝(P₁-P₂)/ρg，又由于静态平衡时，镓舟内的压力与附加镓舟4内压力的压差不变，因此P₁-P₂为一个常数，H₂-H₁也为一个固定值，故在上述压差不变的情况下，镓舟内的液面高度降低时，连通器管路内的液面高度也降低相同的高度，因此当镓舟内的镓液面高度低于设定的镓源液面最低高度时，系统将发出信号，控制系统7接收信号后，操作员根据实际情况预设所需金属镓的供应速度、供应时间及发动机开启与关闭时间，镓源供应系统接收预设处理信号后将会在预设的时间内控制镓源供应系统的开启和关闭，从而实现对镓舟中镓源的定时补给。与此同时，液位控制器6用于监测所述附加镓舟内的镓源的液面高度，若附加镓舟内镓源的液面高度低于预设警告高度(警告高度是预先设定在液位控制器上)时，则液位控制器向所述控制系统发送警告信号，控制系统接收到警告信号后进行自动关闭发动机，并同时发出警告信号提示，使得操作员能够及时知晓该情况，并对附加镓舟中的金属镓进行补给，警告处理后，继续循环以上的工作。

在HVPE机台维护时，镓舟内还有剩余的金属镓，操作人员根据实际情况，通过控制系统7控制控制阀3的开启和关闭，并向镓舟内通入一定的气体，增加镓舟内的气压，利用连通器的工作原理，把镓舟内剩余的金属镓通过连通器管路2回收到附加镓舟内，以此达到镓源的重复回收再利用的目的。因为反应腔体外装置与反应腔体内装置可拆卸分开，因此HVPE设备维护时只需要拆下反应腔体内装置，勿需拆下整体设备进行处理，从而不但能够有效回收镓舟内未用完的镓源，同时更好地保证附加镓舟内镓源的品质，提高控制系统的稳定性和可靠性，更有效地降低生产成本。

以上所述实施例仅表达了本发明的部分实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.一种镓源自动补给及回收装置，包括镓舟、连通器、控制阀、附加镓舟、加热器、液位控制器、控制系统及发动机；其特征在于，所述镓舟安装在反应腔体内，主要用于存放金属镓源，而且镓舟内设定的镓源液面高度(其最大及最小高度)始终处于待生长氮化镓厚膜所需的最佳镓源液面高度范围内，从而保证氮化物的最佳生长速率及晶体质量。

2.根据权利要求1所述的一种镓源自动补给及回收装置，其特征在于，所述连通器管道两端分别与镓舟底端和附加镓舟的顶端连通，而且连通器管路的最高点高度高于镓舟内设定的镓液面高度并具有一定的高度差，所述高度差根据所述镓舟内压力与附加镓舟内压力差设定，当镓舟内的镓液位低于设定的镓源液面高度时，系统发出信号并自动补充镓源进镓舟内。

3.根据权利要求1所述的一种镓源自动补给及回收装置，其特征在于，所述控制阀设置在所述连通器管路上，且与所述控制系统相连，由控制系统控制该阀开启和关闭连通器管路。

4.根据权利要求1所述的一种镓源自动补给及回收装置，其特征在于，所述附加镓舟、加热器、控制系统、控制阀及发动机均安装在反应腔体外。

5.根据权利要求4所述的一种镓源自动补给及回收装置，其特征在于，附加镓舟主要用于存放金属镓源，其分别与发动机、液位控制器、控制系统及加热器相连接；所述加热器主要用于加热附加镓舟里的金属镓源，所述液位控制器安装在附加镓舟内并与控制系统连接，所述液位控制器用于监测所述附加镓舟内的镓源的液面高度，若附加镓舟内镓源的液面高度低于预设警告高度时，则液位控制器向所述控制系统发送警告信号，控制系统接收到警告信号后进行自动关闭发动机，并同时发出警告信号提示及时补充镓源进附加镓舟内。

6.根据权利要求4所述的一种镓源自动补给及回收装置，其特征在于，所述发动机的一端从附加镓舟的一侧面伸入其底部，另一端与通过发动机的注液口与镓舟连通，以此组成镓源供应系统。

7.根据权利要求4所述的一种镓源自动补给及回收装置，其特征在于，所述反应腔体外装置与反应腔体内装置可拆卸分开。