CN106498499B - 一种电辅助的氮化物晶体生长装置及方法 - Google Patents

一种电辅助的氮化物晶体生长装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电辅助的氮化物晶体生长装置和方法，包括反应釜和设置在该反应釜内的坩埚，坩埚内填充有反应物溶液，坩埚内底面放置有被反应物溶液浸没的晶种模板，反应釜上设有氮气进口和排气口，还包括电装置，该电装置包括电压源、上电极和下电极，上电极和下电极分别通过导线与电压源连接，上电极延伸至坩埚内且位于反应物溶液的液面上方，下电极设在反应物溶液内。本发明提高了氮化镓单晶晶体质量及生长速率。

Description

一种电辅助的氮化物晶体生长装置及方法
技术领域
本发明涉及一种氮化物晶体生长装置，具体地说是一种电辅助的氮化物晶体生长装置及方法。
背景技术
氮化镓作为第三代半导体材料的代表材料之一，在蓝光或紫外光的半导体激光器和半导体发光二极管领域有着重要的应用价值。作为传统生长氮化镓晶体的方法，已知的有氢化物气相沉积法、金属有机物气相沉积法等，均属于气相法，虽然生长速度较快，但生长的晶体质量相对较低。
相比之下，液相法生长的晶体质量相对较高，生长速度也较为适中，比如钠助熔剂法，是生长氮化镓晶体具有潜力的方法之一。目前，钠助熔剂法生长氮化镓晶体时，存在问题如氮空位、生长速度低等问题，根本原因在于生长反应氮源的缺乏，即氮溶解困难，难以参与反应。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种加快了氮的溶解与反应，提高氮化物晶体的质量的电辅助的氮化物晶体生长装置及方法。
为了解决上述技术问题，本发明采取以下方案：
一种电辅助的氮化物晶体生长装置，包括反应釜和设置在该反应釜内的坩埚，坩埚内填充有反应物溶液，坩埚内底面放置有被反应物溶液浸没的晶种模板，反应釜上设有氮气进口和排气口，还包括电装置，该电装置包括电压源、上电极和下电极，上电极和下电极分别通过导线与电压源连接，上电极延伸至坩埚内且位于反应物溶液的液面上方，下电极设在反应物溶液内。
所述上电极由金属支撑棒和金属平板组成，金属平板安装在金属支撑棒下端，金属支撑棒通过导线与电压源连接，金属平板位于反应物溶液的液面上方。
一种电辅助的氮化物晶体生长装置，包括反应釜和设置在该反应釜内的坩埚，坩埚内填充有反应物溶液，坩埚内底面放置有被反应物溶液浸没的晶种模板，反应釜上设有氮气进口和排气口，还包括电装置，该电装置包括电压源、上电极和下电极，上电极和下电极分别通过导线与电压源连接，上电极延伸至坩埚内且位于反应物溶液的液面上方，下电极设在反应物溶液内并且与晶种模板连接。
所述上电极由金属支架和安装在该金属支架下端的导电金属板组成，金属支架通过导线与电压源连接，导电金属板位于反应物溶液的液面上方，并且反应釜上设有氮等离子体进入口。
所述氮等离子体进入口设置在导电金属板与反应物溶液的液面之间对应的反应釜部分。
所述上电极为金属探针。
一种电辅助的氮化物晶体生长方法，包括以下步骤：
设置一个位于坩埚内的反应物溶液的液面上方的上电极以及一个位于反应物溶液内的下电极；
通过电压源向上电极和下电极通电产生放电现象，在上电极和反应物溶液之间形成电场；
使电场对坩埚内的氮气进行电离，并且使溶液表面多晶层分解，重新融入反应物溶液中。
本发明使反应物溶液通电后，反应物溶液相当于一个电极，探针或平板相当于另一电极，两电极间提供足够大的电流，使气体击穿，发生放电现象。放电发生在溶液表面，放电能量可以使溶液表面多晶层分解，重新融入反应物溶液中。另外，放电提供了溶液额外的反应能，有利于降低温度和加速反应。而放电使氮气电离，产生活性的氮离子或氮原子等活性氮，活性氮大大提高反应速率，提高溶液中氮浓度从而降低氮空位，提高晶体质量。此外，当额外通过氮等离子体辅助时，在平板与溶液之间的电场下，等离子体中活性氮成分加速进入溶液，也提高了溶液中氮的浓度。
附图说明
附图1为本发明实施例一结构示意图；
附图2为本发明实施例二结构示意图；
附图3为本发明实施例三结构示意图。
实施例一中：200：反应釜；201：排气口；202：氮气进口；210：坩埚；211：反应物溶液；212：晶种模板；220：金属支撑棒；221：电压源；222：放电现象；223：金属平板；224：下电极。
实施例二中： 100：反应釜；101：排气口；102：氮气进口；110：坩埚；111：反应物溶液；112：晶种模板；120：金属探针；121：电压源；122：放电现象。
实施例三中：300：反应物；301：排气口；302：氮气进口；303：氮等离子体进入口；310：坩埚；311：反应物溶液；312：晶种模板；320：金属支架；321：电压源；322：导电金属板。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图和具体实施例一对本发明作进一步的描述。
实施例一
如附图1所示，一种电辅助的氮化物晶体生长装置，包括反应釜200和设置在该反应釜200内的坩埚210，坩埚210内填充有反应物溶液211，坩埚210内底面放置有被反应物溶液211浸没的晶种模板212，反应釜200上设有氮气进口202和排气口201，该氮气进口和排气口内可各设置一个控制阀门，还包括电装置，该电装置包括电压源221、上电极和下电极，上电极和下电极分别通过导线与电压源221连接，上电极延伸至坩埚210内且位于反应物溶液211的液面上方，下电极设在反应物溶液内。上电极由金属支撑棒220和金属平板223组成，金属平板223安装在金属支撑棒220下端，金属支撑棒220通过导线与电压源221连接，金属平板223位于反应物溶液211的液面上方不与该反应物溶液接触。电压源选择合适的电压，为金属平板223和反应物溶液211之间提供电场。
通电后，晶种模板212与反应物溶液211相当于一个电极，金属平板223相当于另一个电极，两电极间具有合适的电压，使气体击穿，发生放电现象222。放电发生在反应物溶液表面，放电能量可以使反应物溶液表面多晶层分解，重新融入反应物溶液中。另外，高能的放电提供了反应物溶液额外的反应能，有利于降低温度和加速反应。而且，放电使氮气电离，产生活性的氮离子或氮原子等活性氮，活性氮大大提高反应速率，提高溶液中氮浓度从而降低氮空位，提高晶体质量。
实施例二
如附图1所示，一种电辅助的氮化物晶体生长装置，包括反应釜100和设置在该反应釜100内的坩埚110，坩埚110内填充有反应物溶液111，坩埚110内底面放置有被反应物溶液111浸没的晶种模板112，反应釜100上设有氮气进口102和排气口101，该氮气进口和排气口内可各设置一个控制阀门，还包括电装置，该电装置包括电压源121、上电极120和下电极，上电极和下电极分别通过导线与电压源121连接，上电极120延伸至坩埚110内且位于反应物溶液111的液面上方，下电极设在反应物溶液内。上电极120为金属探针，该金属探针上端通过导线与电压源121连接、下端在位于反应物溶液的液面上方不与反应物溶液接触。电压源选择合适的电压，为金属探针120和反应物溶液111之间提供电场。
通电后，晶种模板112与反应物溶液111相当于一个电极，金属探针120相当于另一个电极，两电极间具有合适的电压，使气体击穿，发生放电现象122。放电发生在反应物溶液表面，放电能量可以使反应物溶液表面多晶层分解，重新融入反应物溶液中。另外，高能的放电提供了反应物溶液额外的反应能，有利于降低温度和加速反应。而且，放电使氮气电离，产生活性的氮离子或氮原子等活性氮，活性氮大大提高反应速率，提高溶液中氮浓度从而降低氮空位，提高晶体质量。
实施例三
如附图3所示，一种电辅助的氮化物晶体生长装置，包括反应釜300和设置在该反应釜300内的坩埚310，坩埚310内填充有反应物溶液311，坩埚310内底面放置有被反应物溶液311浸没的晶种模板312，反应釜300上设有氮气进口302和排气口301，该氮气进口和排气口内可各设置一个控制阀门，还包括电装置，该电装置包括电压源321、上电极1和下电极，上电极和下电极分别通过导线与电压源321连接，上电极延伸至坩埚310内且位于反应物溶液311的液面上方，下电极设在反应物溶液内。上电极由金属支架320和安装在该金属支架320下端的导电金属板322组成，金属支架320通过导线与电压源321连接，导电金属板322位于反应物溶液311的液面上方不与反应物溶液接触，并且反应釜300上设有氮等离子体进入口303。该氮等离子体进入口303设置在导电金属板322与反应物溶液311的液面之间对应的反应釜300部分。电压源选择合适的电压，为导电金属板322和反应物溶液311之间提供电场。
通电后，晶种模板312与反应物溶液311相当于一个电极，导电金属板322相当于另一个电极，两电极间提供恒定的电压，然后通入氮等离子体，由于电压的存在，氮等离子体发生定向运动，其中活性氮离子成分加速进入反应物溶液311，提高了溶液中氮的浓度，同时等离子体中的其他多余成分进入反应物溶液，影响晶体合成。
本外，本发明还揭示了一种电辅助的氮化物晶体生长方法，包括以下步骤：
S1,设置一个位于坩埚内的反应物溶液的液面上方的上电极以及一个位于反应物溶液内的下电极；
S2,通过电压源向上电极和下电极通电产生放电现象，在上电极和反应物溶液之间形成电场；
S3,使电场对坩埚内的氮气进行电离，并且使溶液表面多晶层分解，重新融入反应物溶液中，从而提高了晶体生长质量。
需要说明的是，以上所述并非是对本发明的限定，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)

1.一种电辅助的氮化物晶体生长装置，包括反应釜和设置在该反应釜内的坩埚，坩埚内填充有反应物溶液，坩埚内底面放置有被反应物溶液浸没的晶种模板，反应釜上设有氮气进口和排气口，其特征在于，还包括电装置，该电装置包括电压源、上电极和下电极，上电极和下电极分别通过导线与电压源连接，上电极延伸至坩埚内且位于反应物溶液的液面上方，下电极设在反应物溶液内并且与晶种模板连接。
2.根据权利要求1所述的电辅助的氮化物晶体生长装置，其特征在于，所述上电极由金属支架和安装在该金属支架下端的导电金属板组成，金属支架通过导线与电压源连接，导电金属板位于反应物溶液的液面上方，并且反应釜上设有氮等离子体进入口。
3.根据权利要求2所述的电辅助的氮化物晶体生长装置，其特征在于，所述氮等离子体进入口设置在导电金属板与反应物溶液的液面之间对应的反应釜部分。
4.一种利用权利要求1-3中任一项所述的电辅助的氮化物晶体生长装置的晶体生长方法，包括以下步骤：
设置一个位于坩埚内的反应物溶液的液面上方的上电极以及一个位于反应物溶液内的下电极；
通过电压源向上电极和下电极通电产生放电现象，在上电极和反应物溶液之间形成电场；
使电场对坩埚内的氮气进行电离，并且使溶液表面多晶层分解，重新融入反应物溶液中。
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