CN108707961A - 氮化镓单晶生长装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氮化镓单晶生长装置，涉及半导体材料的制备装置技术领域。所述装置主要利用氮等离子挥发回流方法在晶体生长界面形成过饱和熔体的方法来制备氮化镓晶体的方法及装置。利用氮等离子体挥发助熔镓‑钠‑氮熔体，镓和钠元素在高温下挥发并在冷凝器上冷却为镓‑钠熔体，镓‑钠熔体回流至回流系统中，在回流系统中不断放入氮化钠，氮化钠受热分解使得熔体处于氮饱和状态，饱和熔体回流至高温固液界面处形成过饱和熔体进行晶体生长。

Description

氮化镓单晶生长装置

技术领域

本发明涉及半导体材料的制备装置技术领域，尤其涉及一种氮化镓单晶生长装置。

背景技术

氮化镓（GaN）是一种宽禁带半导体材料，其禁带宽度高达3.4eV，主要应用于微波功率晶体管和蓝色光发光器件的制备领域中，其可以制备更高功率、更高效率、更大的宽带的微波器件，可以制备高转换效率、高工作频率、高温电力电子器件。在通讯、卫星、航天、航空领域应用广泛，尤其是随着5G即将到来，GaN将迎来爆发式增长。

由于熔体法直接制备GaN的压力很高，需要达到93Kbar(2427℃)，因此很难直接通过熔体法来生长GaN单晶。通常利用金属有机化合物化学气相沉淀（MOCVD）法来生长GaN单晶，但是生长效率很慢，制备成本昂贵。近年，开始在低温低压环境下，利用钠助溶剂法来生长氮化镓单晶，但是由于氮的溶解度很小，氮元素的传输很慢，且很难制备大块的GaN单晶。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种能够快速制备氮化镓单晶的装置。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种氮化镓单晶生长装置，其特征在于：包括炉体，坩埚杆的上端位于所述炉体内，坩埚杆的下端延伸至所述炉体底部之外，所述坩埚杆的上端固定有坩埚支撑，所述坩埚支撑内设置有氮化镓生长坩埚，所述生长坩埚的外侧设置有主加热器，所述主加热器用于对所述生长坩埚进行加热，所述生长坩埚的左上侧和右上侧分别设置有一个可升降的回流系统坩埚，所述回流系统坩埚的下端设置有一端与其相连通，另一端延伸至所述生长坩埚内的回流管道，位于所述生长坩埚内的回流管道的外侧设置有保温管，所述保温管与所述回流管道之间设置有主体熔体测温热偶，所述主熔体测温热电偶用于测量所述生长坩埚内主熔体的温度，所述回流系统坩埚的外侧设置有氮源加热器，用于对所述回流系统坩埚进行加热，所述回流系统坩埚内设置有回流熔体测温热偶，用于对所述回流系统坩埚内的熔体进行测温，每个所述回流系统坩埚的正上方设置有氮源送料管，所述氮源送料管的上端延伸至所述炉体外，所述炉体外的氮源送料管上设置有氮源投料口，所述氮源投料口上设置有封闭组件，所述生长坩埚的正上方设置有等离子电极，所述等离子电极的上端从下到上依次穿过倒V型的镓回流板以及倒V型的钠冷凝回流板后延伸到所述炉体上端的外侧，所述镓回流板以及钠冷凝回流板的两端分别延伸至所述回流系统坩埚的上方。

进一步的技术方案在于：所述钠冷凝回流板内设置有水冷管，用于实现对所述钠冷凝回流板的降温。

进一步的技术方案在于：所述炉体上设置有减压阀，随着氮化钠投入回流系统坩埚中，氮化钠分解出氮气进入炉体，同时通过回流管道进入氮化镓生长坩埚中的熔体，受热分解，也会有氮气进入炉体。随着生长的进行，炉体内部氮气压力不断增大，当增大到设定值后，减压阀即将气体排出。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述装置主要利用氮等离子挥发回流方法在晶体生长界面形成过饱和熔体的方法来制备氮化镓晶体。利用氮等离子体挥发助熔镓-钠-氮熔体，镓和钠元素在高温下挥发并在冷凝回流板上冷却为镓-钠熔体，镓-钠熔体回流至回流系统中，在回流系统中不断放入氮化钠，氮化钠受热分解使得熔体处于氮饱和状态，饱和熔体回流至高温固液界面处形成过饱和熔体进行晶体生长，因此所述装置和方法能够实现氮化镓晶体的快速生长。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例所述装置的结构示意图；

1：等离子电极；2：氮源投料口；2-1：氮源送料管；3：钠冷凝回流板；3-1：水冷管；4：镓回流板；5：氮源；6：回流系统；6-1：回流系统坩埚；6-2：回流管道；6-3：保温管道；6-4：主体熔体测温热偶；6-5：氮源加热器；6-6：回流熔体测温热偶；7：富氮回流熔体；8：氮化镓生长坩埚；9：坩埚支撑；10：主加热器；11：坩埚杆；12：氮化镓籽晶；13：氮化镓晶体；14：主熔体；15：氮等离子电弧；16：炉体；17：减压阀。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明实施例公开了一种氮化镓单晶生长装置，包括炉体16，坩埚杆11的上端位于所述炉体16内，坩埚杆11的下端延伸至所述炉体16底部之外。所述坩埚杆11的上端固定有坩埚支撑9，所述坩埚支撑9内设置有氮化镓生长坩埚8，所述生长坩埚的外侧设置有主加热器10，所述主加热器10用于对所述生长坩埚进行加热。所述生长坩埚的左上侧和右上侧分别设置有一个可升降的回流系统坩埚6-1，所述回流系统坩埚6-1的下端设置有一端与其相连通，另一端延伸至所述生长坩埚内的回流管道6-2。位于所述生长坩埚内的回流管道6-2的外侧设置有保温管6-3，所述保温管6-3与所述回流管道6-2之间设置有主体熔体测温热偶6-4，所述主熔体测温热电偶6-4用于测量所述生长坩埚内主熔体14的温度。所述回流系统坩埚6-1的外侧设置有氮源加热器6-5，用于对所述回流系统坩埚6-1进行加热，所述回流系统坩埚6-1内设置有回流熔体测温热偶6-6，用于对所述回流系统坩埚6-1内的熔体进行测温。每个所述回流系统坩埚6-1的正上方设置有氮源送料管2-1，所述氮源送料管2-1的上端延伸至所述炉体16外，所述炉体16外的氮源送料管2-1上设置有氮源投料口2，所述氮源投料口2上设置有封闭组件。所述生长坩埚的正上方设置有等离子电极1，所述等离子电极1的上端从下到上依次穿过倒V型的镓回流板4以及倒V型的钠冷凝回流板3后延伸到所述炉体16上端的外侧，所述镓回流板4以及钠冷凝回流板3的两端分别延伸至所述回流系统坩埚6-1的上方。

进一步的，所述钠冷凝回流板3内设置有水冷管3-1，用于实现对所述钠冷凝回流板3的降温。所述炉体上设置有减压阀17，随着氮化钠投入回流系统坩埚6-1中，氮化钠分解出氮气进入炉体，同时通过回流管道6-2进入氮化镓生长坩埚8中的熔体，受热分解，也会有氮气进入炉体。随着生长的进行，炉体内部氮气压力不断增大，当增大到设定值后，减压阀17即将气体排出。

在氮气气氛下，等离子电极1产生氮等离子电弧熔炼镓-钠-氮三元熔体，镓和钠元素受热挥发，在靠近坩埚的上方装配有镓回流板4由于回流挥发的镓元素，在靠近坩埚的上方装配有钠冷凝回流板3由于回流挥发的钠元素，镓和钠元素均回流至回流系统6中，回流系统6上方有氮源投料口2，将氮化钠送至富氮熔体元素回流坩埚中6-1，氮化钠受热分解，使得回流熔体快速处于饱和状态。氮熔体元素回流坩埚6-1中的已饱和的熔体顺着回流系统回流管道6-2注入到所述生长坩埚中，所述生长坩埚中的熔体温度高于回流富氮熔体的温度，因此回流富氮熔体将处于相对过冷状态，这将促进固液界面处氮化镓单晶13的生长。整个过程中，回流系统6位置随着晶体固液界面的位置变化而变化，以保证晶体生长的顺利进行。

主熔体14通过主加热器10及等离子电极1来复合加热，并建立主熔体中的温度梯度，等离子电极1另一个作用为加热挥发主熔体中的合金元素。主体熔体测温热偶6-4和回流熔体测温热偶6-6用于测定主体熔体T1和回流熔体的温度T2。通过回流系统加热器6-5与主加热器10来控制，温度差ΔT=T1-T2控制着氮化镓单晶的生长速率。回流系统6上装配回流系统保温管道6-2，其主要作用为保证回流熔体的温度恒定，并保护主体熔体测温热偶6-4不受氮等离子电弧15的高温损害与干扰。炉体16上装配有氮源投料口2，用于将氮源投入到回流系统6中，固体氮源在T1温度下迅速分解，使得回流熔体达到氮元素饱和并顺着回流系统回流管道6-2进入晶体生长界面附近。回流坩埚中6-1可以调节位置，随着晶体固液界面的位置变化而变化。回流坩埚中6-1的位置主要依据主体熔体测温热偶6-4所显示的温度T1，来进行判断及调节，调节的标准为保证回流系统回流管道6-2不接触氮化镓晶体。钠冷凝回流板3内部存在钠冷凝回流板水冷管3-1，以便提高冷凝液化效率。

本发明实施例还公开了一种氮化镓单晶生长方法，包括如下步骤：

将镓-钠熔体作为主熔体14放入炉体16内的氮化镓生长坩埚8中，镓-钠熔体的摩尔分数为：Na/(Na + Ga)=04-0.7；炉体16内所述生长坩埚的左上角和右上角设置有回流系统6，所述回流系统包括一个可上下调节位置的回流系统坩埚6-1，所述回流系统坩埚6-1的下端设置有一端与其相连通，另一端延伸至所述生长坩埚内的回流管道6-2，位于所述生长坩埚内的回流管道6-2的外侧设置有保温管6-3，所述保温管6-3与所述回流管道6-2之间设置有主体熔体测温热偶6-4，所述主熔体测温热电偶6-4用于测量所述生长坩埚内主熔体的温度，所述回流系统坩埚的外侧设置有氮源加热器，用于对所述回流系统坩埚进行加热，所述回流系统坩埚6-1内设置有回流熔体测温热偶6-6，用于对所述回流系统坩埚内的熔体进行测温；调节所述回流系统坩埚6-1的位置，使得主熔体测温热电偶6-4底部接近所述生长坩埚底部，关闭炉体16，抽真空至1×10-5Pa，然后充入纯度大于99.9999%的高纯氮气至0.7-7MPa，将炉体16内的等离子电极1下降至引弧位置开始引弧，引弧成功后，在熔体与所述等离子电极1之间形成氮等离子电弧15，根据主体熔体测温热偶6-4温度T1调整主加热器10的功率，直至T1达到晶体生长温度900℃，启动氮源加热器6-5；

由于所述生长坩埚内的熔体发热，气氛中的氮原子不断溶解到熔体中，使得所述生长坩埚内熔体形成镓-钠-氮三元熔体，同时由于氮等离子电弧15高温加热熔体表面，镓和钠原子不断的挥发至气氛中，且所述生长坩埚的上方从下到上设置有倒V型的镓回流板4以及倒V型的钠冷凝回流板3，所述镓回流板4以及钠冷凝回流板3的两端分别延伸至所述回流系统坩埚的上方，镓回流板4由于受到氮等离子电弧15的烘烤，表面温度很高，因此钠原子不容易冷凝在镓回流板4的表面，因此只有镓元素在镓回流板4的表面实现冷凝，并流向回流系统6中的回流系统坩埚6-1中；

同时钠原子继续挥发至钠冷凝回流板3，由于钠冷凝回流板3上具有钠冷凝回流板水冷管3-1，因此表面温度较低，钠原子在钠冷凝回流板3上冷凝为液体，并流向回流系统6中的回流系统坩埚6-1中；

每个所述回流系统坩埚6-1的正上方设置有氮源送料管2-1，所述氮源送料管2-1的上端延伸至所述炉体16外，所述炉体16外的氮源送料管上设置有氮源投料口2，通过回流熔体测温热偶6-6，控制氮源加热器的加热功率，使回流系统坩埚6-1的T2温度为位于880-900℃之间，根据所需的氮化镓的生长速率来调整具体数值；T1-T2的差值越大，生长速率越快。

通过氮源投料口2将氮化钠投入回流系统坩埚6-1中，氮化钠迅速分解使得回流的镓-钠熔体达到饱和，由于重力的原因，回流的镓-钠熔体通过回流系统回流管道6-2进入主熔体14中，同时回流系统保温层6-3保证回流熔体不被主熔体14加热；

最终回流熔体进入所述生长坩埚内的固液界面附近，在固液界面促进固液界面的生长，同时未来得及生长的氮原子将以气体的形式在熔体中析出，在所述生长坩埚的底部形成单晶状态的氮化镓。

所述装置和方法主要利用氮等离子挥发回流方法在晶体生长界面形成过饱和熔体的方法来制备氮化镓晶体。利用氮等离子体挥发助熔镓-钠-氮熔体，镓和钠元素在高温下挥发并在冷凝回流板上冷却为镓-钠熔体，镓-钠熔体回流至回流系统中，在回流系统中不断放入氮化钠，氮化钠受热分解使得熔体处于氮饱和状态，饱和熔体回流至高温固液界面处形成过饱和熔体进行晶体生长，因此所述装置和方法能够实现氮化镓晶体的快速生长。

Claims (3)

1.一种氮化镓单晶生长装置，其特征在于：包括炉体（16），坩埚杆（11）的上端位于所述炉体（16）内，坩埚杆（11）的下端延伸至所述炉体（16）底部之外，所述坩埚杆（11）的上端固定有坩埚支撑（9），所述坩埚支撑（9）内设置有氮化镓生长坩埚（8），所述生长坩埚的外侧设置有主加热器（10），所述主加热器（10）用于对所述生长坩埚进行加热，所述生长坩埚的左上侧和右上侧分别设置有一个可升降的回流系统坩埚（6-1），所述回流系统坩埚（6-1）的下端设置有一端与其相连通，另一端延伸至所述生长坩埚内的回流管道（6-2），位于所述生长坩埚内的回流管道（6-2）的外侧设置有保温管（6-3），所述保温管（6-3）与所述回流管道（6）之间设置有主体熔体测温热偶（6-4），所述主熔体测温热电偶（6-4）用于测量所述生长坩埚内主熔体（14）的温度，所述回流系统坩埚（6-1）的外侧设置有氮源加热器（6-5），用于对所述回流系统坩埚（6-1）进行加热，所述回流系统坩埚（6-1）内设置有回流熔体测温热偶（6-6），用于对所述回流系统坩埚（6-1）内的熔体进行测温，每个所述回流系统坩埚（6-1）的正上方设置有氮源送料管（2-1），所述氮源送料管（2-1）的上端延伸至所述炉体（16）外，所述炉体（16）外的氮源送料管（2-1）上设置有氮源投料口（2），所述氮源投料口（2）上设置有封闭组件，所述生长坩埚的正上方设置有等离子电极（1），所述等离子电极（1）的上端从下到上依次穿过倒V型的镓回流板（4）以及倒V型的钠冷凝回流板（3）后延伸到所述炉体（16）上端的外侧，所述镓回流板（4）以及钠冷凝回流板（3）的两端分别延伸至所述回流系统坩埚（6-1）的上方。

2.如权利要求1所述的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：所述钠冷凝回流板（3）内设置有水冷管（3-1），用于实现对所述钠冷凝回流板（3）的降温。

3.如权利要求1所述的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：所述炉体上设置有减压阀（17），随着生长的进行，炉体内部氮气压力不断增大，当增大到设定值后，减压阀（17）即将气体排出。