CN116084010A - 可调节温场的晶体生长装置及AlN晶体的生长方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调节温场的晶体生长装置及A1N晶体的生长方法。所述晶体生长装置包括生长容器和加热组件，所述生长容器包括壳体以及由壳体围合形成的生长室，所述加热组件与所述壳体导热配合，并用于对所述生长室进行加热；并且，所述可调节温场的晶体生长装置还包括：支撑组件，设置在所述壳体的外壁上，且所述支撑组件还与所述壳体导热配合并形成散热结构；保温组件，固定设置在所述支撑组件上，至少所述壳体的一部分被所述保温组件包裹。本发明直接对现有的生长容器进行改进，通过设置鳍片以及保温元件等改变了生长容器内的温度场，改进的成本低，且温度场的调节更加灵活方便。

Description

可调节温场的晶体生长装置及AlN晶体的生长方法

技术领域

本发明特别涉及一种可调节温场的晶体生长装置及AlN晶体的生长方法，属于晶体生长技术领域。

背景技术

氮化铝(AlN)具有高禁带宽度(6.2eV)、高热导率(340W/(m·K))、高击穿场强(11.7MV/cm)、良好的紫外透过率、化学和热稳定性等优异性能，是高温、高频、高功率电子器件以及高Al组分深紫外光电器件的理想衬底，如功率器件、深紫外发光二极管(DUV-LEDs)、紫外激光器、传感器等。作为新型半导体材料，高质量的单晶生长及应用方面的探索还有待系统研究。

由于自然界没有有效的高质量AlN衬底，导致获取大尺寸且高质量的AlN单晶存在很大的挑战，物理气相传输法(PVT)具有生长速度快，晶体质量高以及可生长大块AlN晶体的优点，被认为是未来实现AlN晶体商业化的理想方法，轴向温度梯度和径向温度梯度是生长大尺寸AlN单晶的两个重要参数，其中轴向温度梯度是影响晶体生长速率和控制异质籽晶是否分解的关键参数，通过灵活控制轴向温度梯度可以调节晶体生长速率，还可以保护异质籽晶，如SiC等。所以探索大轴向温度梯度的方法也尤为重要。

目前已知的PVT法生产AlN的设备常用的加热方式有两种：分别是电阻加热和感应加热，其中电阻加热由因其能量利用率高成本低而收到广泛应用。PVT法生长氮化铝单晶的一个重要的参数就是温度梯度，轴向温度梯度是影响氮化铝晶体生长速度的主要因素，受限于感应加热的原理，电磁感应线的密度总是符合单一规律性的分布，调节轴向温度梯度并不灵活，对于轴向温度梯度调节范围限制很大。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种可调节温场的晶体生长装置及AlN晶体的生长方法，从而克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明一方面提供了一种可调节温场的晶体生长装置，包括生长容器和加热组件，所述生长容器包括壳体以及由壳体围合形成的生长室，所述加热组件与所述壳体导热配合，并用于对所述生长室进行加热；并且，所述可调节温场的晶体生长装置还包括：

支撑组件，设置在所述壳体的外壁上，且所述支撑组件还与所述壳体导热配合并形成散热结构；

保温组件，固定设置在所述支撑组件上，至少所述壳体的一部分被所述保温组件包裹。

本发明另一方面还提供了一种AlN晶体的生长方法，包括：

提供所述的可调节温场的晶体生长装置，并将用于生长AlN晶体的籽晶置于所述生长室内并进行AlN晶体的生长；

以及，在AlN晶体的生长过程中，至少调节多个鳍片在生长容器轴向方向上的分布密度、多个鳍片的表面积、多个鳍片的导热系数、保温组件在生长容器轴向方向上的位置、保温组件的厚度中的至少一个条件，从而在所述生长室内的轴向方向上产生温度差。

与现有技术相比，本发明提供的一种可调节温场的晶体生长装置，直接对现有的生长容器进行改进，通过设置鳍片以及保温元件等改变了生长容器内的温度场，改进的成本低，且温度场的调节更加灵活方便，以及，本发明提供的一种可调节温场的晶体生长装置，不仅能够实现对生长容器内的轴向温度进行调节，还可以对生长容器内的径向温度进行调节。

附图说明

图1是本发明实施例1中提供的一种可调节温场的晶体生长装置的结构示意图；

图2是本发明实施例1中提供的一种可调节温场的晶体生长装置的侧视图；

图3是本发明实施例1中提供的一种可调节温场的晶体生长装置的生长容器以及鳍片的结构示意图；

图4是本发明实施例1中提供的一种可调节温场的晶体生长装置中保温元件的结构示意图；

图5是生长室内部的温度场分布图；

图6是本发明实施例2中提供的一种可调节温场的晶体生长装置的结构示意图；

图7是本发明实施例2中提供的一种可调节温场的晶体生长装置的结构示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明提供的一种可调节温场的晶体生长装置，在生长容器外部设置鳍片以及保温元件，从而在生长容器的轴向方向、径向方向形成温度梯度，且鳍片的导热系数、设置位置、数量以及分布密度可以被调节，保温元件的种类、位置和数量等均可以调整、替换，从而在被感应加热的生长容器中灵活的改变温度场，也即改变局部轴向/径向的温度梯度，从而达到改变晶体生长速度的目的。

本发明一方面提供了一种可调节温场的晶体生长装置，包括生长容器和加热组件，所述生长容器包括壳体以及由壳体围合形成的生长室，所述加热组件与所述壳体导热配合，并用于对所述生长室进行加热；并且，所述可调节温场的晶体生长装置还包括：

支撑组件，设置在所述壳体的外壁上，且所述支撑组件还与所述壳体导热配合并形成散热结构；

保温组件，固定设置在所述支撑组件上，至少所述壳体的一部分被所述保温组件包裹。

进一步的，所述支撑组件包括多个导热的鳍片，多个鳍片沿所述生长容器的轴向方向依次间隔设置在所述壳体的外壁上。

进一步的，在所述生长容器的轴向方向上，多个所述鳍片非等间距分布。

进一步的，任意两个所述鳍片的表面积和/或导热系数相同或不同。

进一步的，所述鳍片为沿所述生长容器的周向设置的环形构件或弧形构件。

进一步的，所述鳍片与所述壳体的一体设置，所述鳍片为所述壳体的局部沿径向方向凸伸形成。

进一步的，所述支撑组件还包括一框架，多个所述鳍片固定设置在所述框架上，所述鳍片与所述壳体可分离地接触。

进一步的，所述保温组件包括至少一个保温元件，每一所述保温元件至少对应设置在一鳍片上。

进一步的，所述保温组件包括多个保温元件，在所述反应容器的轴向方向上，多个保温元件依次排列设置或者间隔设置。

进一步的，在所述生长容器的径向方向上，任意两个保温元件的厚度相同或不同。

进一步的，所述保温元件为沿所述生长容器的周向设置的环形构件或弧形构件。

进一步的，所述保温元件为石墨毡。

进一步的，所述加热组件包括电源以及至少一线圈，所述线圈绕制在所述壳体外壁上且与所述壳体导热接触。

进一步的，所述线圈分布在鳍片的一侧或相邻鳍片之间。

进一步的，至少所述线圈的一部分设置在所述保温组件和壳体之间。

本发明另一方面还提供了一种AlN晶体的生长方法，包括：

提供所述的可调节温场的晶体生长装置，并将用于生长AlN晶体的籽晶置于所述生长室内并进行AlN晶体的生长；

以及，在AlN晶体的生长过程中，至少调节多个鳍片在生长容器轴向方向上的分布密度、多个鳍片的表面积、多个鳍片的导热系数、保温组件在生长容器轴向方向上的位置、保温组件的厚度中的至少一个条件，从而在所述生长室内的轴向方向上产生温度差。

如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本发明所采用的石墨毡、电源以及生长AlN晶体的籽晶等生长原料及其生长条件参数等均可以是本领域技术人员已知的。

实施例1

请参阅图1，一种可调节温场的晶体生长装置，包括生长容器10、加热组件、支撑组件20以及保温组件30，其中，所述生长容器10主要提供进行晶体生长的环境，所述加热组件主要用于对所述生长容器10进行加热，以提供晶体生长所需的温度条件，所述支撑组件30设置在所述生长容器10上，一方面，所述支撑组件20作为支撑结构用于固定保温组件30，另一方面，所述支撑组件20还作为生长容器10的散热结构，所述保温组件30设置在所述生长容器10外部，并主要用于对所述生长容器10的局部区域进行保温。

在本实施例中，请参阅图2和图3，所述生长容器10包括壳体11以及由壳体11围合形成的生长室，其中，所述壳体11是导热的，晶体生长在所述生长室内进行，示例性的，所述壳体11的材质可以是石墨等，所述生长容器可以是石墨坩埚等。

需要说明的是，所述生长容器10整体可以是呈圆柱体结构，所述生长室也可以是圆柱体结构，所述生长室与所述生长容器是同轴设置的。

在本实施例中，所述生长室的顶部和底部可以设置有开口，相应地，所述生长容器还所述生长室的顶部的开口处可以设置有顶盖12，底部的开口处可以设置有底板13，所述顶盖12、底板13以及生长室共同围合形成可供晶体生长所需的空间环境。

在本实施例中，所述加热组件包括电源以及至少一线圈，所述线圈绕制在所述壳体11的外壁上且与所述壳体11导热接触，具体的，通过以电源向线圈内通入特定频率的交变电流，从而在线圈中产生磁通量，使磁通量频率与交变电流频率相一致，线圈沿径向方向会产生感应电动势及感应电流，感应电流频率与交变电流频率相同，由焦耳定律可知，线圈将电流产生的电磁能转化为热量，从而实现对生长容器10的加热。

在本实施例中，所述线圈是沿所述生长容器的轴向方向螺旋绕制在壳体上的，需要说明的是，在所述生长容器的轴向方向、径向方向上，所述线圈的分布密度是均匀的，同时，结合石墨的壳体的导热性，所述生长容器可以被均匀的加热，需要说明的是，所述电源以及线圈均可以通过市购获得，所述线圈为导线，线圈的线径、匝数等均可以根据具体的需求进行设置。

在本实施例中，所述支撑组件20固定设置在所述壳体11的外壁上，所述保温组件30通过支撑组件20被固定在所述外壳11的外壁的外围，所述壳体11的一部分被所述保温组件30包裹，以减少被保温组件30覆盖部分的热量散失，由于所述保温组件30仅覆盖壳体的一部分，因此，被保温组件30覆盖部分的热量散失少，与之对应的生长室内区域的温度相对高，而未被保温组件30覆盖部分的热量散失多，与之对应的生长室内区域的温度相对低，从而在所述生长室内不同区域之间形成温度差，进而实现了对生长室内轴向方向和径向方向上的温度调节，并形成温度梯度。

在本实施例中，在生长容器1的轴向方向/周向方向上，通过在生长容器的壳体的外壁的不同区域设置保温组件、改变位于不同区域的保温组件的结构参数，从而改变该区域的保温/散热效果，进而在生长室内形成沿轴向方向/径向方向的温度差。

在本实施例中，请一并参阅图3和图4，所述保温元件31可以是环形构件或弧形构件，当所述保温元件31为环形构件时，所述保温元件31主要沿轴向方向在生长室内形成温度梯度，当所述保温元件31为弧形构件时，所述保温元件31不仅可以沿轴向方向在生长室内形成温度梯度，还可以沿径向方向在生长室内形成温度梯度，当然，两个以上弧形的保温元件也可以组合形成一环形的保温元件。

在本实施例中，多个保温元件31的材质、厚度、面积等参数可以相同或不同，例如，通过调节多个保温元件31的材质、厚度、面积等参数，可以扩大生长室内温度梯度的调节范围和灵活性，示例性的，所述保温元件31可以是石墨毡等。

在本实施例中，请再次参阅图1-图3，所述支撑组件20包括多个鳍片21，多个鳍片21沿所述生长容器10的轴向方向依次间隔设置在所述壳体11的外壁上，所述保温组件30包括多个保温元件31，所述保温元件31可分离地固定设置在所述鳍片21上，并覆盖所述壳体11的一部分。

在本实施例中，所述保温元件31可以沿生长容器的径向方向设置在所述鳍片21的外侧，或者，所述保温元件31还可以沿所述生长容器的轴向方向设置在所述鳍片21的一侧，更进一步的，所述保温元件31可以是被夹持设置在相邻两个鳍片21之间的，相邻两个鳍片21、保温元件31以及生长容器的壳体围合形成一气室，该气室可以进一步降低与该气室对应区域的散热效率，进而提高该区域的保温元件的保温效果。

具体的，所述保温元件31可以通过直接与所述鳍片21固定连接的方式进行固定，所述保温元件31与鳍片21连接的方式可以是卡扣连接或其他已知的方式，在此不做具体的限定。

在本实施例中，多个所述鳍片21沿所述生长容器的轴向方向等间距分布或非等间距分布，具体的分布结构可以根据具体的需求进行设置，在此不再赘述。

在本实施例中，所述鳍片21是导热构件，所述鳍片21与所述壳体连接，从而使所述鳍片21还具有散热的效果，相应地，当所述鳍片21在生长容器的轴向方向非等间距分布时，所述生长容器的壳体的不同区域的散热效果不同，进而使所述生长室内不同区域之间形成温度差。

需要说明的是，所述保温元件是通过降低壳体局部区域的散热效果而在生长室内形成温度差，而鳍片是通过提高壳体局部区域的散热效果而在生长室内形成温度差，因此，通过将作为支撑结构的鳍片同时作为散热结构与保温组件进行组合，可以更高效在生长室内形成温度梯度，并使所述生长室内形成的温度梯度的调节范围更广、调节的灵活性更高。

在本实施例中，所述鳍片21为沿所述生长容器10的周向设置的环形构件或弧形构件，任意两个所述鳍片的表面积和/或导热系数等参数相同或不同。

在本实施例中，所述鳍片21可以是与所述壳体11的一体设置，即所述鳍片21为所述壳体11的局部沿自身的径向方向凸伸形成。

在本实施例中，根据模拟结果在相同温度梯度下对生长容器进行加热，结果表明，设置保温元件(石墨毡)的生长容器相比于未加保温元件(石墨毡)的生长容器的生长室内轴向温度提高了，图5的中的(a)、(b)、(c)、(d)分别对应示出了不设置鳍片而直接将石墨坩埚的壳体表面覆设保温元件的生长室内部的温度场、设置具有散热功能的鳍片以及保温元件的生长室内部的温度场、设置两层保温元件(石墨毡)的生长室内部的温度场、设置三层保温元件(石墨毡)的生长室内部的温度场，从图5的虚线框x中可以直观看出具有散热功能的鳍片和保温元件对生长室内温度场的改变情况。

实施例2

请参阅图6和图7，本实施例中的一种可调节温场的晶体生长装置的结构与实施例1基本相同，不同之处在于：本实施例中的支撑组件20与生长容器10的壳体是分体设置的，所述支撑组件20还包括一框架22，多个所述鳍片21固定设置在所述框架22上并形成一个整体，多个所述鳍片21整体可分离地套设在所述生长容器10的外部且与所述生长容器的壳体11接触。

在本实施例中，所述框架22可以是导热构件，示例性的，所述框架22的材质可以与鳍片21的材质相同，从而使所述支撑组件20整体的散热效果更好，或者，所述框架22可以隔热构件，从而使多个鳍片21独立地进行散热，从而进一步扩大晶体生长装置在沿生长容器10的轴向方向上的温度梯度。

本发明提供的一种可调节温场的晶体生长装置，直接对现有的生长容器进行改进，通过设置鳍片以及保温元件等改变了生长容器内的温度场，改进的成本低，且温度场的调节更加灵活方便，以及，本发明提供的一种可调节温场的晶体生长装置，不仅能够实现对生长容器内的轴向温度进行调节，还可以对生长容器内的径向温度进行调节。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项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)

1.一种可调节温场的晶体生长装置，包括生长容器和加热组件，所述生长容器包括壳体以及由壳体围合形成的生长室，所述加热组件与所述壳体导热配合，并用于对所述生长室进行加热；其特征在于，还包括：

支撑组件，设置在所述壳体的外壁上，且所述支撑组件还与所述壳体导热配合并形成散热结构；

保温组件，固定设置在所述支撑组件上，至少所述壳体的一部分被所述保温组件包裹。

2.根据权利要求1所述的可调节温场的晶体生长装置，其特征在于：所述支撑组件包括多个导热的鳍片，多个鳍片沿所述生长容器的轴向方向依次间隔设置在所述壳体的外壁上。

3.根据权利要求2所述的可调节温场的晶体生长装置，其特征在于：在所述生长容器的轴向方向和/或周向方向上，多个所述鳍片等间距分布或非等间距分布；

和/或，任意两个所述鳍片的表面积和/或导热系数相同或不同。

4.根据权利要求2或3所述的可调节温场的晶体生长装置，其特征在于：所述鳍片为沿所述生长容器的周向设置的环形构件或弧形构件。

5.根据权利要求2或3所述的可调节温场的晶体生长装置，其特征在于：所述鳍片与所述壳体的一体设置，所述鳍片为所述壳体的局部沿径向方向凸伸形成。

6.根据权利要求2或3所述的可调节温场的晶体生长装置，其特征在于：所述支撑组件还包括一框架，多个所述鳍片固定设置在所述框架上，所述鳍片与所述壳体可分离地接触。

7.根据权利要求2所述的可调节温场的晶体生长装置，其特征在于：所述保温组件包括至少一个保温元件，每一所述保温元件至少对应设置在一鳍片上；

和/或，所述保温组件包括多个保温元件，在所述反应容器的轴向方向和/或周向方向上，多个保温元件依次排列设置或者间隔设置。

8.根据权利要求7所述的可调节温场的晶体生长装置，其特征在于：在所述生长容器的径向方向上，任意两个保温元件的厚度相同或不同；

和/或，所述保温元件为沿所述生长容器的周向设置的环形构件或弧形构件；

和/或，所述保温元件为石墨毡。

9.根据权利要求2所述的可调节温场的晶体生长装置，其特征在于：所述加热组件包括电源以及至少一线圈，所述线圈绕制在所述壳体外壁上且与所述壳体导热接触；

和/或，所述线圈分布在鳍片的一侧或相邻鳍片之间；

和/或，至少所述线圈的一部分设置在所述保温组件和壳体之间。

10.一种AlN晶体的生长方法，其特征在于，包括：

提供权利要求1-9中任一项所述的可调节温场的晶体生长装置，并将用于生长AlN晶体的籽晶置于所述生长室内并进行AlN晶体的生长；

以及，在AlN晶体的生长过程中，至少调节多个鳍片在生长容器轴向方向和/或周向方向上的分布密度、多个鳍片的表面积、多个鳍片的导热系数、保温组件在生长容器轴向方向和/或周向方向上的位置、保温组件的厚度中的至少一个条件，从而在所述生长室内的轴向方向和/或径向方向上产生温度差。

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