CN115142118A - 一种循环式晶体生长装置及氮化镓晶体生长方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种循环式晶体生长装置及氮化镓晶体生长方法。本发明提供的循环式晶体生长装置，包括反应腔、固定在反应腔内的反应容器、固定在反应腔内的延缓容器、可旋转地设置在反应腔内的回转支架；反应容器内设有固定装置，反应容器下方具有反应液流出口；延缓容器位于反应容器的上方，延缓容器下方具有将反应液导流至反应容器的反应液缓流管；回转支架上圆周分布有若干接收容器；转动至反应液流出口下方的接收容器盛接反应液后加热并转动至延缓容器上方释放反应液。采用该装置可以快速生长品质良好的晶体。本发明的氮化镓晶体生长方法基于上述装置，合理控制工艺参数，可以快速制得品质良好的氮化镓晶体。

Description

一种循环式晶体生长装置及氮化镓晶体生长方法
技术领域
本发明属于晶体生长技术领域，具体涉及一种循环式晶体生长装置及氮化镓晶体生长方法。
背景技术
氮化镓（GaN）具有禁带宽度大（约3.4 eV）、耐高温、化学性质稳定、迁移率高等优点，在光电与功率微波器件等领域具有广泛的应用，在高功率发光设备、探测、光通讯等领域具有广阔的市场前景。目前，GaN晶体的生长方法包括有机金属化学气相沉积法（MOCVD）、氢化物气相外延法（HVPE）、氨热法（Ammothermal Growth）以及钠流法（NaFlux）。其中，钠流法是生长GaN晶体质量较好速率较快的一种方法。1997 年，日本东北大学将助熔剂金属钠混入镓源的熔融液体中，形成的Ga-Na熔融液体中的 Na 能够促进气液界面处氮气分子中的三键断裂，形成可以稳定存在于 Ga-Na 熔融液体中 N3 － 离子，从而提高了熔融液体中氮浓度，有利于提高GaN的生长速率。但由于氮气溶解度较低，即便有Na 的参与，Ga-Na熔融液体中的氮浓度也仅能达到百分之几，因此在钠流法的基础上进一步提升氮化镓的生长速率具有极大的挑战性。虽然通过激光照射（CN109440189A）、浮动籽晶（CN 109402738 A）等方法可以一定程度地提升氮化镓的生长速率，但受限于镓源熔融液体中实际含有的氮浓度以及氮浓度梯度的限制，要根本上提高氮化镓生长速率仍然十分困难。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种循环式晶体生长装置及氮化镓晶体生长方法。
本发明提供的循环式晶体生长装置，包括可密闭的反应腔、固定在反应腔内的反应容器、固定在反应腔内的延缓容器、可旋转地设置在反应腔内的回转支架；
反应容器内设有固定装置用以固定晶种；反应容器上方敞口，下方具有反应液流出口；
延缓容器位于反应容器的上方，延缓容器上方敞口，延缓容器下方具有将反应液导流至反应容器的反应液缓流管；
回转支架竖向设置并围绕反应腔和延缓容器旋转，回转支架上圆周分布有若干随回转支架转动的接收容器；转动至反应液流出口下方的接收容器盛接反应液后转动至延缓容器上方释放反应液；接收容器具有加热功能用以使反应液升温。
进一步地，固定装置的下方具有晶种固定位，固定装置的上方具有反应液阻挡面。
进一步地，反应液缓流管自延缓容器的底部向下弯曲延伸，反应液缓流管的出口位于反应液阻挡面的正上方。
进一步地，延缓容器的横截面积自下而上逐渐增大。
进一步地，反应腔上设有稳压阀用以保持反应腔内的反应气的压力。
进一步地，接收容器外侧设有第一加热装置；反应容器外侧设有第二加热装置；延缓容器外侧设有第三加热装置；反应腔内设有第四加热装置。
进一步地，接收容器包括容器本体和偏设于容器本体顶部一侧的接收嘴；回转支架的转动方向为朝向接收嘴的方向。
进一步地，接收容器呈锥形，上端开有小口。
本发明的第二方面是提供一种氮化镓晶体生长方法，使用上述循环式晶体生长装置，在反应腔内充入高压氮气作为氮源，在反应容器和延缓容器内放入熔融镓源，在固定装置上固定氮化镓晶种；接收容器在反应容器下方盛接熔融镓源后旋转至延缓容器上方将升温后的熔融镓源释放至延缓容器内；延缓容器内的熔融镓源溶解氮源后流入反应容器，在反应容器内降温导致氮源与镓源达到过饱和态而沉积在氮化镓晶种表面。
进一步地，控制反应腔内的氮气的压力在10-15MPa范围内，控制延缓容器和从接收容器流出的镓源的温度在900-1300℃范围内，控制反应容器与延缓容器内的镓源的温差在50-100℃范围内。
有益效果：与现有的钠流法相比，本发明提供的循环式晶体生长装置，通过回转支架、接收容器和延缓容器的配合，在维持反应容器内的反应液整体状态稳定的前提下，可以显著提高反应液的温度梯度，使高温反应液在流入反应容器的过程中达到较高程度的过饱和态，从而显著提高晶体的生长速度。另外，由于反应容器内的反应液整体状态稳定以及晶种的引导作用，采用该装置可以快速生长品质良好的晶体。本发明提出的氮化镓晶体生长方法基于上述循环式晶体生长装置，在控制合理的晶体生长工艺参数的条件下可以快速生长得到品质良好的氮化镓晶体。
附图说明
图1为循环式晶体生长装置的结构示意图。
图2为反应容器的结构示意图。
图3为延缓容器的结构示意图。
图4为一种接收容器的结构示意图。
图5为接收容器的分布示意图。
图6为另一种接收容器的结构示意图。
图中，反应腔1、反应容器2、延缓容器3、回转支架4、固定装置21、反应液流出口22、反应液缓流管31、接收容器41、晶种固定位211、反应液阻挡面212、稳压阀11、第一加热装置43、第二加热装置23、第三加热装置32、第四加热装置12、容器本体411、接收嘴412、晶种9。
具体实施方式
下面通过具体实施例进一步阐明本发明，这些实施例是示例性的，旨在说明问题和解释本发明，并不是一种限制。
本发明的第一方面是提出下述的循环式晶体生长装置，如图1所示，包括可密闭的反应腔1、固定在反应腔1内的反应容器2、固定在反应腔1内的延缓容器3、可旋转地设置在反应腔1内的回转支架4。
其中，反应腔1为耐压耐高温容器，形状不限，可以是球形、方形、胶囊形等，为了减少热量损耗，反应腔1外侧可包裹隔热材料。在反应腔1上具有供气体进入的通道，通道上可以设置稳压阀11用以保持反应腔1内的反应气的压力。
如图2所示，反应容器2是晶体生长的场所，在反应容器2内设有固定装置21用以固定晶种9，晶种9具有引导原料按照特定晶型生长的作用。反应容器2上方敞口，以便于反应腔1内的反应气与反应容器2内的反应液接触并溶解在反应液中。反应容器2下方具有反应液流出口22，在重力作用下反应液缓慢向下流动。
延缓容器3位于反应容器2的上方，延缓容器3如图3所示，上方敞口以便于反应气溶解在延缓容器3的反应液中，延缓容器3下方具有将反应液导流至反应容器2的反应液缓流管31。
回转支架4竖向设置并围绕反应腔1和延缓容器3旋转，回转支架4上圆周分布有若干随回转支架4转动的接收容器41；转动至反应液流出口22下方的接收容器41盛接反应液后转动至延缓容器3上方释放反应液；接收容器41具有加热功能用以使反应液升温。通过加热，接收容器41内流出并进入延缓容器3上的反应液温度较高，可以溶解较多的反应气，当反应液从延缓容器3进入反应容器2时，由于温差较大导致反应气过饱和，从而加速与反应液结晶，在晶种9的引导作用下快速生长在晶种9表面。
较佳地，固定装置21在反应容器2中的布置方式如图2所示，固定装置21的下方具有晶种9固定位211，固定装置21的上方具有反应液阻挡面212，这样，反应液阻挡面212阻挡在晶种9的上方，避免从延缓容器3内流出的反应液直接冲刷在晶种9上对晶体的生长造成干扰。
如图3所示，反应液缓流管31自延缓容器3的底部向下弯曲延伸，反应液缓流管31优选为折线形、螺旋形、不规则曲线形，以减缓反应液的流速，减轻反应液向下流动对反应容器2内的反应液造成扰动。反应液缓流管31的出口位于反应液阻挡面212的正上方，通过反应液阻挡面212消耗下落的动能，另外，反应液缓流管31的出口可以尽量靠近反应容器2的液面。
如图3所示，延缓容器3的横截面积自下而上逐渐增大，这样在晶体生长作业时，虽然延缓容器3内反应液体积有所波动，但延缓容器3内反应液的液面高度的变化极小。由于液面高度直接决定了延缓容器3底部的压强以及流出反应液缓流管31的反应液的流速，因此可以使反应液保持稳定的流速流动。
如图2、图3、图4所示，接收容器41外侧设有第一加热装置43；反应容器2外侧设有第二加热装置23；延缓容器3外侧设有第三加热装置32；反应腔1内设有第四加热装置12。通过在上述多个部位设置加热装置，便于控制反应气以及不同容器内的反应液的温度，以满足在合适的条件下生长晶体。
回转支架4优选采用间歇转动的方式，回转支架4上分布的接收容器41优选是等角度分布多个，如图5所示，这样，相邻接收容器41可以快速切换，且下方的接收容器41在盛接反应液的同时上方的接收容器41也在释放反应液，有利于保持液面稳定。
接收容器41的形状可以呈如图4所示的锥形，上端开有小口。
接收容器41的形状优选是如图6所示，接收容器41包括容器本体411和偏设于容器本体411顶部一侧的接收嘴412；回转支架4的转动方向为朝向接收嘴412的方向。该形状的接收容器41并配合合理的转动方向，可以使接收容器41的空间利用率接近100%。
本发明的第二方面是提出一种氮化镓晶体生长方法。该方法使用上述循环式晶体生长装置，在反应腔1内充入高压氮气作为氮源，在反应容器2和延缓容器3内放入熔融镓源，在固定装置21上固定氮化镓晶种；接收容器41在反应容器2下方盛接熔融镓源后旋转至延缓容器3上方将升温后的熔融镓源释放至延缓容器3内；延缓容器3内的熔融镓源溶解氮源后流入反应容器2，在反应容器2内降温导致氮源与镓源达到过饱和态而沉积在氮化镓晶种表面。
采用上述方法生长氮化镓晶体，控制反应腔1内的氮气的压力在10-15MPa范围内，控制延缓容器3和从接收容器41流出的镓源的温度在900-1300℃范围内，控制反应容器2与延缓容器3内的镓源的温差在50-100℃范围内。
以上实施方式是示例性的，其目的是说明本发明的技术构思及特点，以便熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种循环式晶体生长装置，其特征在于：包括可密闭的反应腔（1）、固定在反应腔（1）内的反应容器（2）、固定在反应腔（1）内的延缓容器（3）、可旋转地设置在反应腔（1）内的回转支架（4）；
所述反应容器（2）内设有固定装置（21）用以固定晶种；所述反应容器（2）上方敞口，下方具有反应液流出口（22）；
所述延缓容器（3）位于反应容器（2）的上方，延缓容器（3）上方敞口，延缓容器（3）下方具有将反应液导流至反应容器（2）的反应液缓流管（31）；
所述回转支架（4）竖向设置并围绕反应腔（1）和延缓容器（3）旋转，回转支架（4）上圆周分布有若干随回转支架（4）转动的接收容器（41）；转动至反应液流出口（22）下方的接收容器（41）盛接反应液后转动至延缓容器（3）上方释放反应液；所述接收容器（41）具有加热功能用以使反应液升温。
2.根据权利要求1所述的循环式晶体生长装置，其特征在于：所述固定装置（21）的下方具有晶种固定位（211），所述固定装置（21）的上方具有反应液阻挡面（212）。
3.根据权利要求2所述的循环式晶体生长装置，其特征在于：所述反应液缓流管（31）自延缓容器（3）的底部向下弯曲延伸，所述反应液缓流管（31）的出口位于所述反应液阻挡面（212）的正上方。
4.根据权利要求1所述的循环式晶体生长装置，其特征在于：所述延缓容器（3）的横截面积自下而上逐渐增大。
5.根据权利要求1所述的循环式晶体生长装置，其特征在于：所述反应腔（1）上设有稳压阀（11）用以保持反应腔（1）内的反应气的压力。
6.根据权利要求1所述的循环式晶体生长装置，其特征在于：所述接收容器（41）外侧设有第一加热装置（43）；所述反应容器（2）外侧设有第二加热装置（23）；所述延缓容器（3）外侧设有第三加热装置（32）；所述反应腔（1）内设有第四加热装置（12）。
7.根据权利要求1所述的循环式晶体生长装置，其特征在于：所述接收容器（41）包括容器本体（411）和偏设于容器本体（411）顶部一侧的接收嘴（412）；所述回转支架（4）的转动方向为朝向接收嘴（412）的方向。
8.根据权利要求1所述的循环式晶体生长装置，其特征在于：所述接收容器（41）呈锥形，上端开有小口。
9.一种氮化镓晶体生长方法，其特征在于：使用权利要求1至8任一项所述的循环式晶体生长装置；
在反应腔（1）内充入高压氮气作为氮源，在反应容器（2）和延缓容器（3）内放入熔融镓源，在固定装置（21）上固定氮化镓晶种；接收容器（41）在反应容器（2）下方盛接熔融镓源后旋转至延缓容器（3）上方将升温后的熔融镓源释放至延缓容器（3）内；延缓容器（3）内的熔融镓源溶解氮源后流入反应容器（2），在反应容器（2）内降温导致氮源与镓源达到过饱和态而沉积在氮化镓晶种表面。
10.根据权利要求9所述的氮化镓晶体生长方法，其特征在于：控制反应腔（1）内的氮气的压力在10-15MPa范围内，控制延缓容器（3）和从接收容器（41）流出的镓源的温度在900-1300℃范围内，控制反应容器（2）与延缓容器（3）内的镓源的温差在50-100℃范围内。
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