CN106191989B - 一种hvpe设备用镓舟反应器 - Google Patents

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Abstract

一种HVPE设备用镓舟反应器，包括进气管、圆筒形侧壁、底部和顶盖，所述底部与圆筒形侧壁连接成一个容器；所述顶盖连接于圆筒形侧壁上；所述进气管穿设于顶盖或圆筒形侧壁上；所述容器上设有出气管；所述进气管包括进气连接管和螺旋喷管，所述螺旋喷管包括螺旋喷管入口、螺旋喷管管壁和螺旋喷管出口，所述进气管与螺旋喷管入口连接，所述螺旋喷管位于容器内。本发明提供的一种HVPE设备用镓舟反应器，可增加反应气体在反应器内的停留时间，也能均衡反应气体与金属镓的反应速度。

Description

一种HVPE设备用镓舟反应器
技术领域
本发明涉及HVPE技术及HVPE设备领域，具体涉及一种HVPE设备用镓舟反应器。
背景技术
与硅、锗、砷化镓等传统的半导体材料相比，以氮化镓（GaN）为代表的Ⅲ族氮化物半导体材料属于直接带隙、宽禁带半导体材料，非常适合制作短波长的光电器件。氢化物气相外延（HVPE）由于生长速率较快，成为目前制备GaN衬底材料的商用方法之一。
现有HVPE技术与设备中，氯化氢气体与金属镓的反应器设备主要存在以下问题：1、氯化氢与金属镓接触时间短，氯化氢未参与反应就已经流出反应区；2、现有结构的HVPE镓舟，金属镓液面距离进气口的距离变化，引起氯化氢转化为氯化镓的比率变化，导致氮化镓生成速率波动大，难以控制，尤其是在厚膜生长。
发明内容
为克服现有技术的不足及存在的问题，本发明提供一种HVPE设备用镓舟反应器，使得氯化氢气体在镓舟反应器中停留时间增加，增加了氯化镓转化速率的稳定性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种HVPE设备用镓舟反应器，包括进气管、圆筒形侧壁、底部和顶盖，其特征在于，所述底部与圆筒形侧壁连接成一个容器；所述顶盖连接于圆筒形侧壁上；所述进气管穿设于顶盖或圆筒形侧壁上；所述容器上设有出气管；
所述进气管包括进气连接管和螺旋喷管，所述进气连接管与容器连接，所述进气管与螺旋喷管入口连接，所述螺旋喷管包括螺旋喷管入口、螺旋喷管管壁和螺旋喷管出口，所述螺旋喷管位于容器内。
所述螺旋喷管沿容器内壁圆周方向向下倾斜延伸，并且该螺旋喷管出口位于容器底面上方。
所述螺旋喷管出口直径小于螺旋喷管入口直径。
所述螺旋喷管管壁上设有由螺旋喷管入口朝向螺旋喷管出口倾斜的螺旋喷管吸附入口，并且该螺旋喷管吸附入口方向与螺旋喷管入口方向形成的夹角为锐角。
所述螺旋喷管吸附入口的形状为圆柱孔、椭圆柱孔、圆锥孔或棱柱孔。
所述出气管设在顶盖上。
所述出气管设在底部上并延伸入容器内，并且该出气管位于容器内的端口与顶盖之间的距离小于螺旋喷管出口与顶盖之间的距离。
所述螺旋喷管吸附入口的数量为至少一个。
本发明提供的一种HVPE设备用镓舟反应器，进入反应器的氯化氢气体，在圆筒形侧壁内部，受到离心力与侧壁的约束，将在反应器内，金属镓上方旋转数圈，才能离开反应器，增加了氯化氢在反应器中的停留时间，提供足够的反应时间。螺旋喷管有一定的螺距，所以氯化氢从螺旋喷管喷出后，除了有圆周方向速度，还有一个向着金属镓的运动速度，最后会达到金属镓表面，使得金属镓液面无论高低，只要螺旋喷管出口处氯化氢速度足够快，都能到达金属镓表面，削弱了由于金属镓液面与喷管出口距离变化引起的反应不稳定性。
附图说明
图1：实施例一中所述一种HVPE设备用镓舟反应器结构的一个角度示意图；
图2：实施例一中所述一种HVPE设备用镓舟反应器结构的左视图；
图3：实施例一中所述一种HVPE设备用镓舟反应器结构的俯视图；
图4：实施例一中所述一种HVPE设备用镓舟反应器结构的螺旋喷管示意图；
图5：实施例一中所述一种HVPE设备用镓舟反应器结构的螺旋喷管俯视图；
图6：实施例二中所述一种HVPE设备用镓舟反应器结构的一个角度示意图；
图7：实施例二中所述一种HVPE设备用镓舟反应器结构的螺旋喷管俯视图；
图中标号所示为：1：进气管；11：进气连接管；12：螺旋喷管；121：螺旋喷管入口；122：螺旋喷管管壁；123：螺旋喷管吸附入口；124：螺旋喷管出口；2：圆筒形侧壁；3：底部；4：顶盖；5：出气管。
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。
如图1至图7所示， 一种HVPE设备用镓舟反应器，包括进气管1、圆筒形侧壁2、底部3和顶盖4，底部3与圆筒形侧壁2连接成一个容器；顶盖4连接于圆筒形侧壁2上；进气管1穿设于顶盖4或圆筒形侧壁2上；容器上设有出气管5；进气管1包括进气连接管11和螺旋喷管12，进气连接管11与容器连接，进气管1与螺旋喷管入口121连接，螺旋喷管12包括螺旋喷管入口121、螺旋喷管管壁122和螺旋喷管出口124，螺旋喷管12位于容器内。螺旋喷管12沿容器内壁圆周方向向下倾斜延伸，并且该螺旋喷管出口124位于容器底面上方。螺旋喷管出口124直径小于螺旋喷管入口121直径。螺旋喷管管壁122上设有由螺旋喷管入口121朝向螺旋喷管出口124倾斜的螺旋喷管吸附入口123，并且该螺旋喷管吸附入口123方向与螺旋喷管入口121方向形成的夹角为锐角，螺旋喷管吸附入口123的形状为圆柱孔、椭圆柱孔、圆锥孔或棱柱孔。螺旋喷管吸附入口123的数量为至少一个。出气管5设在顶盖上。出气管5也可设在底部3上并延伸入容器内，并且该出气管5位于容器内的端口与顶盖4之间的距离小于螺旋喷管出口124与顶盖4之间的距离。
实施例一
如图1-3所示，本实施例所描述一种HVPE设备用镓舟反应器，包含进气管1、圆筒形侧壁2、底部3、顶盖4和出气管5五部分。
其中，底部3与圆筒形侧壁2形成一个金属镓容腔，用于容纳金属镓，顶盖4连接于圆筒形侧壁2上。
其中，进气管1穿设于顶盖4上，包括进气连接管11、螺旋喷管12。
如图4所示，螺旋喷管12包含螺旋喷管入口121、螺旋喷管管壁122、螺旋喷管出口123，螺旋喷管入口121与进气连接管连接12。螺旋喷管管壁122上设计有2个螺旋喷管吸附入口123。螺旋喷管12沿容器内壁圆周方向向下倾斜延伸，并且该螺旋喷管出口124位于容器底面上方。如图3所示。
螺旋喷管出口123直径小于螺旋喷管入口121的直径，促使螺旋喷管12内部通过的流体流速加快，增加从螺旋管出口123喷出流体的速度。
如图5所示，在螺旋喷管12俯视图上，螺旋喷管吸附入口123，螺旋喷管吸附入口123的方向从螺旋喷管管壁122的外壁、螺旋喷管12的大直径端指向螺旋喷管管壁122的内壁、螺旋喷管12的小直径端，即螺旋喷管吸附入口123的方向与螺旋喷管入口121方向成一个锐角，当螺旋喷管12内部管径减小，内部流经的流体加速，螺旋喷管12通过螺旋喷管吸附入口123将螺旋喷管12外的流体吸入螺旋喷管12内。
旋喷管吸附入口123的形状为圆柱孔、椭圆柱孔、圆锥孔或棱柱孔；旋喷管吸附入口123也可为其他形状，以上列举并非是限定的。
经过螺旋喷管12加速后的流体，在圆筒形侧壁2的圆筒形内壁结构约束下，流体在金属镓表面旋转，并逐渐下降，到达金属镓表面，并进行反应，最后从出气管流出反应器。
其中，出气管5穿设于顶盖4上。
本实施例中，进入反应器的氯化氢气体，在圆筒形侧壁2内部，受到离心力与圆筒形侧壁2的约束，将在反应器内的金属镓上方旋转到达金属镓表面，然后才能离开反应器，增加了氯化氢在反应器中的停留时间，提供足够的反应时间。
因为螺旋喷管12的螺旋形结构，螺旋喷管出口124从水平方向向下倾斜，且沿着圆筒形侧壁2的切线方向，所以氯化氢离开螺旋喷管12后，除了有圆周方向速度，还有一个向着金属镓的运动速度，最后会达到金属镓表面。因此，金属镓的液面无论高低，只要螺旋喷管出口处氯化氢速度足够快，都能到达金属镓表面，削弱了由于金属镓液面与喷管出口距离变化引起的反应不稳定性。
实施例二
如图6所示，本实施例所描述一种HVPE设备用镓舟反应器，包含进气管1、圆筒形侧壁2、底部3、顶盖4和出气管5五部分。
其中，底部3与圆筒形侧壁2形成一个金属镓容腔，用于容纳金属镓，顶盖4连接于圆筒形侧壁2上。
其中，进气管1穿设于顶盖4上，进气管1包括进气连接管11、螺旋喷管12。
螺旋喷管12包括螺旋喷管入口121、螺旋喷管管壁122、螺旋喷管出口123，螺旋喷管入口121与进气连接管11连接。螺旋喷管管壁122上设计有2个螺旋喷管吸附入口123。螺旋喷管12沿容器内壁圆周方向向下倾斜延伸，并且该螺旋喷管出口124位于容器底面上方。
螺旋喷管出口123口径小于螺旋喷管入口121，促使螺旋喷管12内部通过的流体流速加快，增加从螺旋管出口123喷出流体的速度。
如图7所示，在螺旋喷管12俯视图上，螺旋喷管吸附入口123的方向从螺旋喷管管壁122的外壁、螺旋喷管12的大直径端指向螺旋喷管管壁122的内壁、螺旋喷管12的小直径端，即螺旋喷管吸附入口123的方向与螺旋喷管入口121方向成一个锐角，当螺旋喷管12内部管径减小，内部流经的流体加速，螺旋喷管12通过螺旋喷管吸附入口123将螺旋喷管12外的流体吸入螺旋喷管12内。
旋喷管吸附入口123的形状为圆柱孔、椭圆柱孔、圆锥孔或棱柱孔；旋喷管吸附入口123也可为其他形状，以上列举并非是限定的。
经过螺旋喷管12加速后的流体，在圆筒形侧壁2的结构约束下，流体在金属镓表面旋转，并逐渐下降，到达金属镓表面，并进行反应，最后从出气管流出反应器。
其中，出气管5穿设于底部3上。
本实施例中，进入反应器的氯化氢气体，在圆筒形侧壁2内部，受到离心力与圆筒形侧壁2的约束，将在反应器内的金属镓上方旋转到达金属镓表面，然后才能离开反应器，增加了氯化氢在反应器中的停留时间，提供足够的反应时间。
因为螺旋喷管12的螺旋形结构，螺旋喷管出口124从水平方向向下倾斜，且沿着圆筒形侧壁2的切线方向，所以氯化氢离开螺旋喷管12后，除了有圆周方向速度，还有一个向着金属镓的运动速度，最后会达到金属镓表面。因此，金属镓液面无论高低，只要螺旋喷管出口处氯化氢速度足够快，都能到达金属镓表面，削弱了由于金属镓液面与喷管出口距离变化引起的反应不稳定性。
上述实施例为本发明较佳的实现方案，在不脱离本发明构思的前提下，只是对本发明作出直接的置换或等同的替换，均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种HVPE设备用镓舟反应器，包括进气管（1）、圆筒形侧壁（2）、底部（3）和顶盖（4），所述底部（3）与圆筒形侧壁（2）连接成一个容器；所述顶盖（4）连接于圆筒形侧壁（2）上；所述进气管（1）穿设于顶盖（4）或圆筒形侧壁（2）上；所述容器上设有出气管（5）；
所述进气管（1）包括进气连接管（11）和螺旋喷管（12），所述进气连接管（11）与容器连接，所述进气连接管（11）与螺旋喷管入口（121）连接，所述螺旋喷管（12）包括螺旋喷管入口（121）、螺旋喷管管壁（122）和螺旋喷管出口（124），所述螺旋喷管（12）位于容器内；
所述螺旋喷管（12）沿容器内壁圆周方向向下倾斜延伸，并且该螺旋喷管出口（124）位于容器底面上方；
所述螺旋喷管出口（124）直径小于螺旋喷管入口（121）直径；其特征在于，
所述螺旋喷管管壁（122）上设有由螺旋喷管入口（121）朝向螺旋喷管出口（124）倾斜的螺旋喷管吸附入口（123），并且该螺旋喷管吸附入口（123）方向与螺旋喷管入口（121）方向形成的夹角为锐角。
2.根据权利要求1所述的HVPE设备用镓舟反应器，其特征在于，所述螺旋喷管吸附入口（123）的形状为圆柱孔、椭圆柱孔、圆锥孔或棱柱孔。
3.根据权利要求2所述的HVPE设备用镓舟反应器，其特征在于，所述出气管（5）设在顶盖上。
4.根据权利要求3所述的HVPE设备用镓舟反应器，其特征在于，所述出气管（5）设在底部（3）上并延伸入容器内，并且该出气管（5）位于容器内的端口与顶盖（4）之间的距离小于螺旋喷管出口（124）与顶盖（4）之间的距离。
5.根据权利要求4所述的HVPE设备用镓舟反应器，其特征在于，所述螺旋喷管吸附入口（123）的数量为至少一个。
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