CN110195258A - 氮化镓晶体生长装置及其生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氮化镓晶体生长装置及其生长方法。该氮化镓晶体生长装置包括反应容器，所述反应容器内设置原料区和结晶区，所述原料区和所述结晶区中的至少一者的数量为至少两个，所述原料区和所述结晶区在所述反应容器的轴向上交替分布。本发明的氮化镓晶体生长装置能够提高氮化镓晶体的生长速度和结晶质量，同时能够减少原料的损失。

Description

氮化镓晶体生长装置及其生长方法
技术领域
本发明涉及氮化镓晶体生产技术领域，尤其涉及一种氮化镓晶体生长装置及其生长方法。
背景技术
氮化镓作为第三代半导体材料的代表，具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高及介电常数小等独特的性能，这使其在光电子器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器等方面具有广阔的市场前景。
氮化镓单晶的生长方法有氢化物气相外延法、高压氮气融溶法、氨热法、Na助熔剂法等，其中氨热法应用较为广泛。使用氨热法生长氮化镓单晶时，氨作为溶剂被填充至反应容器中。
图1示出了现有技术中的一种氮化镓晶体生长装置。如图1所示，该生长装置包括反应容器100，反应容器100中设置有一个原料区200和一个结晶区300，原料区200中设有多晶培养料，结晶区300中设有籽晶400，原料区200和结晶区300之间通过隔板500隔开，反应容器100外部设置有用于加热原料区200的原料区加热装置600和用于加热结晶区300的结晶区加热装置700。
对于图1中示出的氮化镓晶体生长装置，氮化镓晶体生长时，反应容器100内的原料从原料区200扩散对流至结晶区300的时间较长，这使得氮化镓晶体的生长速度相对较低，结晶的厚度不均匀，结晶质量较低，且容易在反应容器的内壁上非目的性地析出因自发晶核而导致的氮化镓微晶，造成原料损失。
发明内容
基于现有技术中的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种提高氮化镓晶体生长速度和氮化镓结晶质量的氮化镓晶体生长装置及使用该氮化镓晶体生长装置生长氮化镓晶体的生长方法。
为此，本发明提供如下技术方案。
本发明提供了一种氮化镓晶体生长装置，所述氮化镓晶体生长装置包括反应容器，
所述反应容器内设置原料区和结晶区，所述原料区和所述结晶区中的至少一者的数量为至少两个，所述原料区和所述结晶区在所述反应容器的轴向上交替分布。
在至少一个实施方式中，所述反应容器内沿所述轴向依次设置有第一结晶区、第一原料区、第二结晶区、第二原料区和第三结晶区，
所述第一结晶区具有第一籽晶安装架，所述第一籽晶安装架的下方设置有第一籽晶，
所述第二结晶区具有第二籽晶安装架，所述第二籽晶安装架的上方和下方均设置有第二籽晶，
所述第三结晶区具有第三籽晶安装架，所述第三籽晶安装架的上方设置有第三籽晶，
所述第一原料区和所述第二原料区均设置有多晶原料。
在至少一个实施方式中，所述反应容器内沿所述轴向依次设置有第三原料区、第四结晶区、第四原料区、第五结晶区和第五原料区，
所述第四结晶区具有第四籽晶安装架，所述第四籽晶安装架的上方和下方均设置有第四籽晶，
所述第五结晶区具有第五籽晶安装架，所述第五籽晶安装架的上方和下方均设置有第五籽晶，
所述第三原料区、所述第四原料区和所述第五原料区均设置有多晶原料。
在至少一个实施方式中，每个籽晶安装架均为无孔的圆盘体，所述圆盘体的直径比所述反应容器的内径小1mm至2mm。
在至少一个实施方式中，所述圆盘体的盘面垂直于所述轴向设置。
在至少一个实施方式中，所述氮化镓晶体生长装置还包括加热装置组件，
所述加热装置组件包括原料区加热装置和结晶区加热装置，所述原料区加热装置用于对所述原料区加热，所述结晶区加热装置用于对所述结晶区加热。
在至少一个实施方式中，所述反应容器中设置有酸性矿化剂，所述结晶区的温度低于所述原料区的温度，或者
所述反应容器中设置有碱性矿化剂，所述结晶区的温度高于所述原料区的温度。
在至少一个实施方式中，每个所述原料区和每个所述结晶区之间设置有隔板，所述隔板具有通孔。
在至少一个实施方式中，所述隔板为圆形，和/或
所述通孔的数量为多个。
本发明还提供了一种氮化镓晶体的生长方法，其使用上述任一实施方式所述的氮化镓晶体生长装置生长氮化镓晶体。
通过采用上述的技术方案，本发明提供了一种氮化镓晶体生长装置，通过使原料区和结晶区中的至少一者的数量为至少两个，且原料区和结晶区在反应容器的轴向上交替分布，能够减少原料从原料区扩散对流至结晶区的时间，进而能够提高氮化镓晶体的生长速度和结晶质量，同时能够减少原料的损失。
可以理解，使用该氮化镓晶体生长装置生长氮化镓晶体的方法具有同样的有益效果。
附图说明
图1示出了现有技术中的一种氮化镓晶体生长装置。
图2示出了根据本发明的氮化镓晶体生长装置的第一实施方式的结构示意图。
图3示出了图2中的籽晶安装架的结构示意图。
图4示出了根据本发明的氮化镓晶体生长装置的第二实施方式的结构示意图。
附图标记说明
100反应容器；200原料区；300结晶区；400籽晶；500隔板；600原料区加热装置；700结晶区加热装置；
1反应容器；2原料区；21第一原料区；22第二原料区；23原料篮；3结晶区；31第一结晶区；311第一籽晶安装架；312第一籽晶；32第二结晶区；321第二籽晶安装架；322第二籽晶；33第三结晶区；331第三籽晶安装架；332第三籽晶；4隔板；41通孔；5加热装置组件；51原料区加热装置；52结晶区加热装置；
10反应容器；20原料区；201第三原料区；202第四原料区；203第五原料区；204原料篮；30结晶区；301第四结晶区；3011第四籽晶安装架；3012第四籽晶；302第五结晶区；3021第五籽晶安装架；3022第五籽晶；40隔板；401通孔；50加热装置组件；501原料区加热装置；502结晶区加热装置。
具体实施方式
下面参照附图描述本发明的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本发明，而不用于穷举本发明的所有可行的方式，也不用于限制本发明的保护范围。
(第一实施方式)
下面根据图2至图3详细说明根据本发明的氮化镓晶体生长装置的第一实施方式。
在本实施方式中，如图2所示，根据本发明的氮化镓晶体生长装置包括反应容器1、原料区2、结晶区3、隔板4和加热装置组件5。
在本实施方式中，反应容器1整体大致呈圆柱状，反应容器1中填充有液氨。
原料区2包括第一原料区21和第二原料区22，每个原料区2中均设置有用于装设多晶培养料的原料篮23。
结晶区3包括第一结晶区31、第二结晶区32和第三结晶区33。
第一结晶区31具有第一籽晶安装架311，第一籽晶安装架311的下方设置有第一籽晶312。其中，第一籽晶312的数量为三个。
第二结晶区32具有第二籽晶安装架321，第二籽晶安装架321的上方和下方均设置有第二籽晶322。其中，位于第二籽晶安装架321的上方和下方的第二籽晶322的数量分别为三个。
第三结晶区33具有第三籽晶安装架331，第三籽晶安装架331的上方设置有第三籽晶332。其中，第三籽晶332的数量为三个。
在本实施方式中，上述的第一籽晶安装架311、第二籽晶安装架321和第三籽晶安装架331的结构相同。下面以第一籽晶安装架311为例进行说明。如图3所示，第一籽晶安装架311为无孔的圆盘体，该圆盘体的盘面垂直于反应容器1的轴向设置，第一籽晶安装架311的直径比反应容器1的内径小1mm至2mm。
在本实施方式中，各个籽晶安装架的材质可以为Pt(铂)、Ir(铱)、W(钨)、Ta(铊)、Rh(铑)、Ru(钌)、Re(铼)、Mo(钼)、Au(金)、Ag(银)、C(高纯石墨)、W2N(氮化钨)或BN(氮化硼)等。
可以理解，各个籽晶可以通过支架、托架或挂架安装于籽晶安装架上，籽晶安装架的厚度可以根据实际需要而设置。
在本实施方式中，如图2所示，第一结晶区31、第一原料区21、第二结晶区32、第二原料区22和第三结晶区33在反应容器1的轴向上依次设置。这样，在反应容器1的尺寸不变的情况下，原料从原料区扩散对流至结晶区的时间大大缩短，能够显著提高氮化镓晶体的生产速度和生长质量。
在本实施方式中，每个原料区和每个结晶区之间均设置有圆形的隔板4，隔板4上开设有供反应容器1中的介质(即，氨溶剂和溶解于氨溶剂的原料等)通过的通孔41。其中，每个隔板4的通孔41的数量可以为例如5个。通孔41的形状可以为圆形，也可以为多边形或其它形状。
在本实施方式中，隔板4垂直于反应容器1的轴向设置。
在本实施方式中，如图2所示，加热装置组件5包括原料区加热装置51和结晶区加热装置52。其中，原料区加热装置51用于对各个原料区2进行加热。结晶区加热装置52用于对各个结晶区3进行加热。
在本实施方式中，反应容器1中可以加入酸性矿化剂，例如卤化铵，即NH4F(氟化铵)、NH4Cl(氯化铵)和NH4Br(溴化铵)等。
此时，在加热装置的加热下，各个结晶区3的温度均低于各个原料区2的温度。
可替代地，反应容器1中也可以加入碱性矿化剂，例如碱金属酰胺化物。
此时，在加热装置的加热下，各个结晶区3的温度高于各个原料区2的温度。
可以理解，各个结晶区3的温度可以尽可能地保持一致，各个原料区2的温度也可以尽可能地保持一致。
(第二实施方式)
下面根据图4详细说明根据本发明的氮化镓晶体生长装置的第二实施方式。
在本实施方式中，如图4所示，根据本发明的氮化镓晶体生长装置包括反应容器10、原料区20、结晶区30、隔板40和加热装置组件50。
本实施方式中的反应容器10、隔板40和加热装置组件50的结构与第一实施方式中的反应容器1、隔板4和加热装置组件5的结构分别大致相同。
在本实施方式中，如图4所示，原料区20包括第三原料区201、第四原料区202和第五原料区203。每个原料区20中均设置有用于装设多晶培养料的原料篮204。
在本实施方式中，如图4所示，结晶区30包括第四结晶区301和第五结晶区302。
第四结晶区301具有第四籽晶安装架3011，第四籽晶安装架3011的上方和下方分别设置有三个第四籽晶3012。
第五结晶区302具有第五籽晶安装架3021，第五籽晶安装架3021的上方和下方分别设置有三个第五籽晶3022。
本实施方式中的籽晶安装架的结构可以与第一实施方式中的籽晶安装架的结构相同。籽晶可以通过支架、托架或挂架安装于籽晶安装架。
在本实施方式中，如图4所示，第三原料区201、第四结晶区301、第四原料区202、第五结晶区302和第五原料区203在反应容器1的轴向上依次设置。同样地，在反应容器10的尺寸不变的情况下，原料从原料区扩散对流至结晶区的时间大大缩短，能够显著提高氮化镓晶体的生产速度和生长质量。
在本实施方式中，与第一实施方式相似地，每个原料区20和每个结晶区30之间设置有隔板40，隔板40设置有通孔401。
在本实施方式中，与第一实施方式相似地，加热装置组件50包括原料区加热装置501和结晶区加热装置502。其中，原料区加热装置501用于对各个原料区20进行加热。结晶区加热装置502用于对各个结晶区30进行加热。
通过采用上述技术方案，根据本发明的氮化镓晶体生长装置至少具有如下优点：
(1)在本发明的氮化镓晶体生长装置中，通过使原料区和结晶区中的数量分别为两个或三个，且原料区和结晶区在反应容器的轴向上交替分布，能够减少原料从原料区扩散对流至结晶区的时间，进而能够提高氮化镓晶体的生长速度和结晶质量，同时能够减少原料的损失。
以上的具体实施方式对本发明的技术方案进行了详细阐述，但是还需要补充说明的是：
(1)虽然在上述实施方式中说明了原料区为两个，结晶区为三个；或者原料区为三个，结晶区为两个，但是本发明不限于此，原料区和结晶区中的一者的数量在两个以上即可。
(2)虽然在上述实施方式中说明了籽晶的数量为三个或六个，但是本发明不限于此，籽晶的数量可以根据实际的需要而设置，可以为一个、两个、四个、五个或更多个。
(3)虽然在上述实施方式中说明了每个隔板上的通孔有五个，但是本发明不限于此，通孔的数量可以根据实际的需要而设置，可以为一个、两个、三个、四个或更多个。
此外，本发明还提供了一种氮化镓晶体的生长方法，该生长方法使用上述的氮化镓晶体生长装置。

Claims (10)

1.一种氮化镓晶体生长装置，其特征在于，所述氮化镓晶体生长装置包括反应容器(1，10)，
所述反应容器(1，10)内设置原料区(2，20)和结晶区(3，30)，所述原料区(2，20)和所述结晶区(3，30)中的至少一者的数量为至少两个，所述原料区(2，20)和所述结晶区(3，30)在所述反应容器(1，10)的轴向上交替分布。
2.根据权利要求1所述的氮化镓晶体生长装置，其特征在于，所述反应容器(1，10)内沿所述轴向依次设置有第一结晶区(31)、第一原料区(21)、第二结晶区(32)、第二原料区(22)和第三结晶区(33)，
所述第一结晶区(31)具有第一籽晶安装架(311)，所述第一籽晶安装架(311)的下方设置有第一籽晶(312)，
所述第二结晶区(32)具有第二籽晶安装架(321)，所述第二籽晶安装架(321)的上方和下方均设置有第二籽晶(322)，
所述第三结晶区(33)具有第三籽晶安装架(331)，所述第三籽晶安装架(331)的上方设置有第三籽晶(332)，
所述第一原料区(21)和所述第二原料区(22)均设置有多晶原料。
3.根据权利要求1所述的氮化镓晶体生长装置，其特征在于，所述反应容器(1，10)内沿所述轴向依次设置有第三原料区(201)、第四结晶区(301)、第四原料区(202)、第五结晶区(302)和第五原料区(203)，
所述第四结晶区(301)具有第四籽晶安装架(3011)，所述第四籽晶安装架(3011)的上方和下方均设置有第四籽晶(3012)，
所述第五结晶区(302)具有第五籽晶安装架(3021)，所述第五籽晶安装架(3021)的上方和下方均设置有第五籽晶(3022)，
所述第三原料区(201)、所述第四原料区(202)和所述第五原料区(203)均设置有多晶原料。
4.根据权利要求2或3所述的氮化镓晶体生长装置，其特征在于，每个籽晶安装架均为无孔的圆盘体，所述圆盘体的直径比所述反应容器(1，10)的内径小1mm至2mm。
5.根据权利要求4所述的氮化镓晶体生长装置，其特征在于，所述圆盘体的盘面垂直于所述轴向设置。
6.根据权利要求1所述的氮化镓晶体生长装置，其特征在于，所述氮化镓晶体生长装置还包括加热装置组件(5，50)，
所述加热装置组件(5，50)包括原料区加热装置(51，501)和结晶区加热装置(52，502)，所述原料区加热装置(51，501)用于对所述原料区(2，20)加热，所述结晶区加热装置(52，502)用于对所述结晶区(3，30)加热。
7.根据权利要求1所述的氮化镓晶体生长装置，其特征在于，所述反应容器(1，10)中设置有酸性矿化剂，所述结晶区(3，30)的温度低于所述原料区(2，20)的温度，或者
所述反应容器(1，10)中设置有碱性矿化剂，所述结晶区(3，30)的温度高于所述原料区(2，20)的温度。
8.根据权利要求1所述的氮化镓晶体生长装置，其特征在于，每个所述原料区(2，20)和每个所述结晶区(3，30)之间设置有隔板(4，40)，所述隔板(4，40)具有通孔(41，401)。
9.根据权利要求8所述的氮化镓晶体生长装置，其特征在于，所述隔板(4，40)为圆形，和/或
所述通孔(41，401)的数量为多个。
10.一种氮化镓晶体的生长方法，其特征在于，使用权利要求1至9中任一项所述的氮化镓晶体生长装置生长氮化镓晶体。
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