CN116536758A - 一种氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备及方法 - Google Patents
一种氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116536758A CN116536758A CN202310486642.6A CN202310486642A CN116536758A CN 116536758 A CN116536758 A CN 116536758A CN 202310486642 A CN202310486642 A CN 202310486642A CN 116536758 A CN116536758 A CN 116536758A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- pressure
- temperature
- crucible
- heater
- growth
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 57
- JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N Gallium nitride Chemical compound [Ga]#N JMASRVWKEDWRBT-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 44
- 229910002601 GaN Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 39
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 36
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 12
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 9
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims abstract description 9
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 claims abstract description 6
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 43
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 31
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 28
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 21
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 14
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 14
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 11
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 10
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 10
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims description 8
- 230000004907 flux Effects 0.000 claims description 8
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims description 8
- GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N Gallium Chemical compound [Ga] GYHNNYVSQQEPJS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052733 gallium Inorganic materials 0.000 claims description 7
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000002248 hydride vapour-phase epitaxy Methods 0.000 claims description 6
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 claims description 6
- 229910052582 BN Inorganic materials 0.000 claims description 5
- PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N Boron nitride Chemical compound N#B PZNSFCLAULLKQX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 5
- 239000010963 304 stainless steel Substances 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000589 SAE 304 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 3
- HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N [C].[Si] Chemical compound [C].[Si] HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 3
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 3
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 3
- 239000006184 cosolvent Substances 0.000 claims description 3
- GALOTNBSUVEISR-UHFFFAOYSA-N molybdenum;silicon Chemical compound [Mo]#[Si] GALOTNBSUVEISR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 claims description 3
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 3
- 239000002912 waste gas Substances 0.000 claims description 3
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052784 alkaline earth metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000001342 alkaline earth metals Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052788 barium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N barium atom Chemical compound [Ba] DSAJWYNOEDNPEQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 2
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims description 2
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011591 potassium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052712 strontium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N strontium atom Chemical compound [Sr] CIOAGBVUUVVLOB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 claims description 2
- 230000003028 elevating effect Effects 0.000 claims 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 claims 1
- 239000000758 substrate Substances 0.000 abstract description 8
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 abstract description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 4
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 abstract description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 abstract description 3
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 abstract description 2
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 abstract description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 239000010408 film Substances 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 3
- 229910000528 Na alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000010409 thin film Substances 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 230000009194 climbing Effects 0.000 description 1
- 239000011162 core material Substances 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000007716 flux method Methods 0.000 description 1
- 150000004678 hydrides Chemical class 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000004943 liquid phase epitaxy Methods 0.000 description 1
- 229910001507 metal halide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000005309 metal halides Chemical class 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B25/00—Single-crystal growth by chemical reaction of reactive gases, e.g. chemical vapour-deposition growth
- C30B25/02—Epitaxial-layer growth
- C30B25/14—Feed and outlet means for the gases; Modifying the flow of the reactive gases
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/40—AIIIBV compounds wherein A is B, Al, Ga, In or Tl and B is N, P, As, Sb or Bi
- C30B29/403—AIII-nitrides
- C30B29/406—Gallium nitride
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Liquid Deposition Of Substances Of Which Semiconductor Devices Are Composed (AREA)
Abstract
本发明涉及氮化镓晶体制造技术领域，特别涉及一种氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备及方法，生长设备采用内加热模式，即加热器位于高压反应容器内部；加热器采用上下两段温区加热，盛有镓‑钠混合金属的坩埚置于上下两段加热器之间，利用上下两温区形成的温度梯度促进溶液的对流，从而利于氮原子的溶解并传输到坩埚底部的衬底上，从而外延生长出单晶。本设备及方法操作简单，同时可有效抑制异质形核，提高外延单晶的生长速率和结晶品质。
Description
技术领域
本发明涉及氮化镓晶体制造技术领域，特别涉及一种氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备及方法。
背景技术
氮化镓（GaN）晶体具有禁带宽、击穿电场强度高、饱和电子迁移率高、热导率大、介电常数小、抗辐射能力强等特点，能够大幅提升电子器件的高压、高频、高功率工作性能，被广泛应用于白光 LED照明器件、高功率电力电子器件以及大功率射频器件，是节能产业和尖端军事用电子器件的核心材料。
目前，GaN晶体的生长方法主要有氢化物气相外延(HVPE)法、氨热法和金属有机气相传输(MOCVD)法。HVPE法是以Ga为III族源，以HCl为反应气体，NH3为N源，生长温度在1000-1500 °C。此方法虽然可以以较高的速率生长GaN晶体，然而这种方法生长的晶体缺陷较高，影响了光电器件的性能，并且晶体生长时需要使用HCl、NH3等腐蚀性气体，对设备要求较高，对环境也有一定的污染。氨热法生长温度较低，但是生长的晶体中易出现杂质缺陷，并且晶体生长需要1GPa以上的压力，矿化剂对高压釜有腐蚀，设备的使役条件要求高。MOCVD法生长GaN需要价格昂贵的金属有机气体源，受晶体生长速率的限制，目前还没有体块晶体的生长报道，主要用于生长薄膜单晶。
HVPE和MOCVD法均是热力学上非平衡态过程的气相法，它们生长的GaN晶体的位错密度通常在105cm-2以上，高密度的位错缺陷对光电子和微电子器件的性能产生不利的影响。因此，有必要开发一种成本低，简单高效的生长大面积高品质GaN晶体的设备及方法。液相外延法是在传统助熔剂法的基础上，通过施加衬底和精确控制生长参数来控制晶体形核及长大过程的一种外延生长技术。这种方法的生长温度一般较低，在热力学上是近平衡态，因此可以制备出高纯度、低位错密度和高结晶品质的薄膜、厚膜或体块单晶，能够将GaN的位错密度降低到103~102cm-2量级。此外，这种方法没有有害气体的排放，设备相对便宜，晶体生长工艺相对简单，能耗也低，是一种经济实用、可产业化的外延生长技术。
为此，本申请设计了一种用于大面积高质量GaN晶片的外延生长设备及方法。用于射线探测成像大面积金属卤化物单晶薄膜钙钛矿外延生长方法是一种成本低，简单，高效，方便，快捷的制备方法。
发明内容
本发明为了弥补现有技术中的不足，提供了一种氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备及方法。本发明以镓-钠合金为溶剂，将氮气通入到高压助熔剂晶体生长炉中，在一定压力下氮原子溶解到溶液中，与镓反应生成氮化镓，氮化镓传输到衬底上，从而在衬底上直接外延生长出大面积的、结晶取向一致的氮化镓外延晶片。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备，包括耐高压炉体、加热器、保温套、水冷系统、气路系统、坩埚支撑机构和升降单元、温度控制系统、抽真空系统和压力控制系统，所述耐高压炉体的材质为304不锈钢，耐高压炉体分为上盖，侧壁，下盖三部分，在室温下炉体最高耐受100 MPa以上的等静压力，高压炉体由钢架支撑，底部留有下盖升降空间，用于填装晶体生长坩埚；
所述加热器材质为硅碳棒、硅钼棒或高温电阻合金丝，加热器为上下两段，分别由控温电偶和温度控制单元单独控温，通过设置不同的温度，可在上下加热器之间形成具有一定的梯度的温场；
所述保温套为高温氧化锆，包覆在加热器的外表面；
所述坩埚支撑机构材质为石墨或石英，坩埚支撑机构侧壁安装有两根不同长度的控温热电偶，分别用于控制上加热器和下加热器的温度，坩埚支撑机构中心位置安装有一根测温电偶，用于监测生长坩埚底部的温度；
所述坩埚支撑机构与炉体下盖连接，并且通气孔通过下盖与压力控制系统连接。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述下盖通过丝杠和导轨由伺服电机控制晶体生长坩埚的上下移动，下盖通过小胶圈由螺栓密封，当下盖与耐高压炉体分离，由伺服电机控制下降到底部后，在坩埚支撑机构上安装盛有原料的坩埚，然后将下盖与装有坩埚的坩埚支撑机构上升到耐高压炉体底部后，安装橡胶圈和螺栓，使炉体密封。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述晶体生长坩埚的材质为氮化硼、石墨、金属镍、钽、钨或钼。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述上盖厚度不小于50 mm，上盖与侧壁主体由螺栓连接，中间由无氧铜垫圈密封，上盖留有内径8~10mm的排气孔，用于生长前的抽真空，以及生长结束后的排除废气，所述上盖只在安装和维修加热器和保温套时开启，开展晶体生长工艺时不开启。
进一步地，为了更好的实现本发明，所述坩埚支撑机构测温电偶旁留有8-10mm的进气孔道，用于通氮气和氩气。
基于上述的设备，具体的制造方法如下：
S1，将HVPE或MOCVD生长的GaN晶片装入氮化硼坩埚底部并固定，然后将金属钠和镓原料分别按一定比例装入平底晶体生长坩埚中；
S2，将晶体生长坩埚置入坩埚支撑机构上；
S3，安装下盖的密封胶圈，启动伺服电机，将装有坩埚的坩埚支撑机构连同下盖一同上升到耐高压炉体底口，拧紧螺栓，使耐高压炉体密封；
S4，启动真空泵，对炉腔体抽真空到1Pa以下；
S5，以10 ℃/min的升温速度，使上温区和下温区的温度升至200-300 ℃，并在此温度保温1小时；
S6，关闭真空泵和抽气体阀门；打开氩气进气阀门，以一定速率通入氩气，使炉内压力达到0.5-5MPa，达到设定气压后时关闭氩气进气阀门；
S7，继续以10 ℃/min的升温速度升温，并设置上温区温度最终为700-1000 ℃，相应地下温区温度为750-1050 ℃，使上下温区建立30-100 ℃的温差，保温100小时；
S8，当上温区和下温区加热器的温度达到目标温度后，打开氮气阀门，以一定速率通入氮气，使炉内压力达到5-20 MPa，达到设定气压后事关闭氮气进气阀门；
S9，生长结束后，开启排气阀，排出炉内气体，使炉压气压降至与大气压相同；
S10，开启下盖，取出生长坩埚，即得到钠助溶剂外延生长的氮化镓晶体。
本发明的有益效果是：
1. 本发明采用内加热方式，在加热器和高压炉体间有保温套，并且在高压炉体的侧壁及顶盖均有水冷，有效抑制了晶体生长时高压腔体表面的温度，具有安全可靠的优点。
2．本发明通过控制上下温区的温差，实现溶液的自然对流，从而加速氮在溶液中的溶解和向底部基板的传输，在GaN薄膜衬底上直接同质外延生长出大面积、高质量GaN体块单晶。
3.本发明为底部装料，通过上升连接支撑机构的下盖将坩埚装入高压炉中，并采用橡胶圈密封，通过开启和下降体炉下盖，将生长坩埚从高压炉体中取出，具有取料和装料方便、省时省力的优势。
4.本发明采用底部通气体，顶部排气的方式，气流和气压控制精确，可防止溶液的飞溅和爬壁问题。
5. 本发明所使用的方法简单，成本低，重复性好，可生长出大面积高结晶质量的GaN晶圆，适合于商业化的大批量生产。得到的大面积GaN晶圆可用于高温高功率光电子器件的外延基板。
附图说明
图1为本发明的下盖与坩埚支撑机构分离时的主视图；
图2为图1的A-A处剖视图；
图3为本发明制备的GaN单晶图片；
图中，1、侧壁，2、加热器，3、保温套，4、上盖，5、下盖，6、上控温热电偶，7、下控温热电偶，8、测温电偶，9、坩埚支撑机构，10、支架，11、升降装置，A、上温区，B、下温区。
具体实施方式
下面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。
本实施例的原理如下：
本实施例在高压密封容器中建立合适的温度场，通过精确控制加热器的温度以及氮气和氩气的压力，可促进氮气在碱金属表面解离，形成的氮原子溶解入镓-钠合金的溶液中，并与溶液中的镓反应生成GaN。通过控制上下加热器的温度建立温度梯度，可以促进溶液的自然对流，使溶解的氮从溶液表面传输到溶液内部。当溶液中反应生成的GaN达到过饱和时，GaN即沉积在坩埚底部的衬底表面，实现GaN的同质外延生长。本实施例中，建立的安全、稳定、可控的温度场和高压气氛条件是实现GaN外延生长的基础。
本实施例的设备包括耐高压炉体、加热器2、保温套3、水冷系统、气路系统、坩埚支撑机构9、升降装置11、温度控制单元、抽真空系统和压力控制单元，其中耐高压炉体材质优选304不锈钢。高压炉体分为上盖4，侧壁1，下盖5三部分，在室温下炉体最高可耐受100 MPa以上的等静压力。高压炉体由钢架支撑，底部留有下盖5升降空间，用于填装晶体生长坩埚。
炉体上盖4厚度不小于50 mm，上盖4与侧壁1主体由螺栓连接，中间由无氧铜垫圈密封。上盖4留有内径8~10mm的排气孔，用于生长前的抽真空，以及生长结束后的排除废气。炉体上盖4只在安装和维修加热器2和保温套3时开启，开展晶体生长工艺时不开启。
加热器2材质优选高纯硅碳棒、硅钼棒、或高温电阻合金丝。加热器2为上下两段，分别由控温电偶和温度控制单元单独控温，通过设置不同的温度，可在上下加热器之间形成具有一定的梯度的温场。保温套3材质优选高温氧化锆，包覆在加热器的外表面。
坩埚支撑机构9材质为高纯石墨或高纯石英，在侧壁1安装有两根不同长度的控温热电偶，分别用于控制上加热器和下加热器的温度。此外，中心位置安装有一根测温电偶8，用于监测生长坩埚底部的温度。测温电偶旁留有8-10mm的进气孔道，用于通氮气和氩气。坩埚支撑机构9与炉体下盖5可分离的连接，并且通气孔通过下盖5和压力控制系统连接。
坩埚支撑机构9连同炉体下盖5通过丝杠和导轨由伺服电机控制坩埚的上下移动。炉体下盖5通过橡胶圈由螺栓密封。当下盖5与高压炉主体分离，由伺服电机控制下降到底部后，在坩埚支撑机构9上安装盛有原料的坩埚。然后将下盖5与装有坩埚的坩埚支撑机构9上升到高压炉底部后，安装橡胶圈和螺栓，使炉体密封。
利用这些设备外延生长氮化镓单晶的方法，包括步骤如下：
（1）将HVPE或MOCVD生长的GaN晶片装入氮化硼坩埚底部并固定，然后将高纯金属钠和镓原料分别按一定比例装入平底晶体生长坩埚中；
（2）将生长坩埚置入坩埚支撑机构9上；
（3）安装炉下盖5的密封胶圈，启动伺服电机，将装有坩埚的支撑机构9连同下盖5一同上升到高压炉底口，拧紧螺栓，使高压炉密封；
（4）启动真空泵，对炉腔体抽真空到1Pa以下；
（5）以10 ℃/min的升温速度，使上温区A和下温区B的温度升至200-300 ℃，并在此温度保温1小时；
（6）关闭真空泵和抽气体阀门；打开氩气进气阀门，以一定速率通入氩气，使炉内压力达到0.5-5MPa，达到设定气压后事关闭氩气进气阀门；
（7）继续以10 ℃/min的升温速度升温，并设置上温区A温度最终为700-1000 ℃，相应的下温区B温度为750-1050 ℃，使上下温区建立30-100 ℃的温差，保温100小时；
（8）当上温区A和下温区A加热器2的温度达到目标温度后，打开氮气阀门，以一定速率通入氮气，使炉内压力达到5-20 MPa，达到设定气压后事关闭氮气进气阀门；
（9）生长结束后，开启排气阀，排出炉内气体，使炉压气压降至与大气压相同；
（10）开启下盖5，取出生长坩埚，即得到钠助溶剂外延生长的氮化镓晶体。
上述工艺（1）中，溶液原料优选高纯镓、钠单质，也可包括少量的锂，钾或钙、镁、锶、钡等碱土金属以及上述单质与氮形成的氮化物中的一种或多种混合物作为添加助剂，其目的是促进氮在溶液中的溶解。
上述工艺（6）中，通入一定压力的氩气有防止溶液挥发的作用。
上述工艺（8）中，通入一定压力的氮气是为了促进氮在溶液中的溶解。
本发明未详尽说明的，均按本领域现有技术。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备，包括耐高压炉体、加热器（2）、保温套（3）、水冷系统、气路系统、坩埚支撑机构（9）和升降装置（11）、温度控制系统、抽真空系统和压力控制系统，其特征在于：
所述耐高压炉体的材质为304不锈钢，耐高压炉体分为上盖（4），侧壁（1），下盖（5）三部分，在室温下炉体最高耐受100 MPa以上的等静压力，高压炉体由钢架支撑，底部留有下盖（5）升降空间，用于填装晶体生长坩埚；
所述加热器（2）材质为硅碳棒、硅钼棒或高温电阻合金丝，加热器为上下两段，分别由控温热电偶和温度控制单元单独控温，通过设置不同的温度，可在上下加热器之间形成具有一定的梯度的温场；
所述保温套（3）为高温氧化锆，包覆在加热器（2）的外表面；
所述坩埚支撑机构（9）材质为石墨或石英，坩埚支撑机构（9）的侧壁（1）安装有两根不同长度的控温热电偶，分别用于控制加热器上段和下段的温度，坩埚支撑机构中心位置安装有一根测温电偶（8），用于监测生长坩埚底部的温度；
所述坩埚支撑机构（9）与耐高压炉体炉体的下盖（5）连接，下盖（5）设有通气孔与压力控制系统连接。
2.根据权利要求1所述的氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备，其特征在于：
所述下盖（5）通过丝杠和导轨由伺服电机控制晶体生长坩埚的上下移动，下盖（5）通过小胶圈由螺栓密封，当下盖（5）与耐高压炉体分离时，由伺服电机控制下降到底部后，在坩埚支撑机构（9）上安装盛有原料的坩埚，然后将下盖与装有坩埚的坩埚支撑机构（9）上升到耐高压炉体底部后，安装橡胶圈和螺栓，使炉体密封。
3.根据权利要求1所述的氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备，其特征在于：
所述晶体生长坩埚的材质为氮化硼、石墨、金属镍、钽、钨或钼。
4.根据权利要求1所述的氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备，其特征在于：
所述上盖（4）厚度不小于50 mm，上盖（4）与侧壁（1）主体由螺栓连接，中间由无氧铜垫圈密封，上盖（4）留有内径8~10mm的排气孔，用于生长前的抽真空，以及生长结束后的排除废气，所述上盖（4）只在安装和维修加热器（2）和保温套（3）时开启，开展晶体生长工艺时不开启。
5.根据权利要求1所述的氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备，其特征在于：
所述坩埚支撑机构（9）的测温电偶（8）旁留有8-10mm的进气孔道，用于通氮气和氩气。
6.一种氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的方法，利用权利要求1-5任意一项所述的氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备，其特征在于，包括以下步骤：
S1，将HVPE或MOCVD生长的GaN晶片装入氮化硼坩埚底部并固定，然后将金属钠和镓原料分别按一定比例装入平底晶体生长坩埚中；
S2，将晶体生长坩埚置入坩埚支撑机构（9）上；
S3，安装下盖（5）的密封胶圈，启动伺服电机，将装有坩埚的坩埚支撑机构（9）连同下盖一同上升到耐高压炉体底口，拧紧螺栓，使耐高压炉体密封；
S4，启动真空泵，对炉腔体抽真空到1Pa以下；
S5，以10 ℃/min的升温速度，使上温区（A）和下温区（B）的温度升至200-300 ℃，并在此温度保温1小时；
S6，关闭真空泵和抽气体阀门；打开氩气进气阀门，以一定速率通入氩气，使炉内压力达到0.5-5MPa，达到设定气压后时关闭氩气进气阀门；
S7，继续以10 ℃/min的升温速度升温，并设置上温区（A）温度最终为700-1000 ℃，相应的下温区（B）温度为750-1050 ℃，使上下温区建立30-100 ℃的温差，保温100小时；
S8，当上温区（A）和下温区（B）的加热器（2）的温度达到目标温度后，打开氮气阀门，以一定速率通入氮气，使炉内压力达到5-20 MPa，达到设定气压后事关闭氮气进气阀门；
S9，生长结束后，开启排气阀，排出炉内气体，使炉压气压降至与大气压相同；
S10，开启下盖（5），取出生长坩埚，即得到钠助溶剂外延生长的氮化镓晶体。
7.根据权利要求6所述的氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的方法，其特征在于：
所述S1中，晶体生长坩埚中加入的金属钠和镓原料中可加入添加助剂，所述添加助剂为少量的锂、钾或钙、镁、锶、钡这些碱土金属以及上述单质与氮形成的氮化物中的一种或多种混合物。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310486642.6A CN116536758B (zh) | 2023-05-04 | 2023-05-04 | 一种氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310486642.6A CN116536758B (zh) | 2023-05-04 | 2023-05-04 | 一种氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116536758A true CN116536758A (zh) | 2023-08-04 |
| CN116536758B CN116536758B (zh) | 2024-01-23 |
Family
ID=87444629
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310486642.6A Active CN116536758B (zh) | 2023-05-04 | 2023-05-04 | 一种氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116536758B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5637531A (en) * | 1993-08-10 | 1997-06-10 | High Pressure Research Center, Polish Academy | Method of making a crystalline multilayer structure at two pressures the second one lower than first |
| CN1938457A (zh) * | 2004-03-31 | 2007-03-28 | 日本碍子株式会社 | 氮化镓单晶的生长方法和氮化镓单晶 |
| CN101405439A (zh) * | 2006-03-23 | 2009-04-08 | 日本碍子株式会社 | 氮化物单晶的制造装置 |
| US20100012020A1 (en) * | 2007-03-27 | 2010-01-21 | Ngk Insulators, Ltd. | Method for manufacturing nitride single crystal |
| CN109680334A (zh) * | 2019-03-07 | 2019-04-26 | 中国电子科技集团公司第四十六研究所 | 一种钠助熔剂法氮化镓单晶的生长装置 |
-
2023
- 2023-05-04 CN CN202310486642.6A patent/CN116536758B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5637531A (en) * | 1993-08-10 | 1997-06-10 | High Pressure Research Center, Polish Academy | Method of making a crystalline multilayer structure at two pressures the second one lower than first |
| CN1938457A (zh) * | 2004-03-31 | 2007-03-28 | 日本碍子株式会社 | 氮化镓单晶的生长方法和氮化镓单晶 |
| CN101405439A (zh) * | 2006-03-23 | 2009-04-08 | 日本碍子株式会社 | 氮化物单晶的制造装置 |
| US20100012020A1 (en) * | 2007-03-27 | 2010-01-21 | Ngk Insulators, Ltd. | Method for manufacturing nitride single crystal |
| CN109680334A (zh) * | 2019-03-07 | 2019-04-26 | 中国电子科技集团公司第四十六研究所 | 一种钠助熔剂法氮化镓单晶的生长装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116536758B (zh) | 2024-01-23 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4083449B2 (ja) | ＣｄＴｅ単結晶の製造方法 | |
| CN102383181B (zh) | 制备n-型Ⅲ族氮化物单晶的方法、所述单晶、和晶体基板 | |
| KR102000798B1 (ko) | 금속 질화물의 고압 질소 어닐링 방법 | |
| KR100322374B1 (ko) | 질화물결정의제조방법,혼합물,액상성장방법,질화물결정,질화물결정분말및기상성장방법 | |
| US10519563B2 (en) | Device and method for continuous VGF crystal growth through rotation after horizontal injection synthesis | |
| JPH11335194A (ja) | 半導体結晶およびその製造方法ならびに製造装置 | |
| CN103305903A (zh) | 一种高氮压助熔剂-坩埚下降法制备GaN晶体的方法 | |
| CN215440759U (zh) | 一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长装置 | |
| JP4416040B2 (ja) | 化合物半導体結晶 | |
| CN109183143B (zh) | 一种利用还原气体提高AlN单晶纯度的方法 | |
| CN113445125B (zh) | 一种坩埚下降法生长氧化镓体单晶的生长装置及其方法 | |
| CN116536758B (zh) | 一种氮化镓晶体高压助熔剂外延生长的设备及方法 | |
| JP2008239480A5 (zh) | ||
| CN1249271C (zh) | 砷化镓单晶的生长方法 | |
| CN115353082B (zh) | 一种一步烧结高质量氮化铝原料的方法 | |
| CN112430848B (zh) | 一种氮化物单晶生长装置及方法 | |
| US4764350A (en) | Method and apparatus for synthesizing a single crystal of indium phosphide | |
| CN113716566A (zh) | 高纯碳化硅源粉制备方法 | |
| JP2000044399A (ja) | 窒化ガリウム系化合物半導体のバルク結晶製造方法 | |
| RU2330128C2 (ru) | Печь для эпитаксии карбида кремния | |
| CN107687023B (zh) | 氮化铝单晶生长中籽晶或衬底的固定装置及固定方法 | |
| CN113403673B (zh) | 一种重结晶生长GaN晶体的方法以及一种晶体生长设备 | |
| CN216378478U (zh) | 温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统 | |
| JP2011201756A (ja) | 単結晶炭化珪素の製造方法 | |
| JP5030821B2 (ja) | フラックス処理方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 10-101, Jinan Changqing International Enterprise Port, No. 2222, South Section of Yuqing Road, Changqing District, Jinan City, Shandong Province, 250000 Patentee after: Shandong Jingsheng Electronic Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: Room 1120, 49 Lishan Road, Lixia District, Jinan City, Shandong Province, 250013 Patentee before: Shandong Jingsheng Electronic Technology Co.,Ltd. Country or region before: China |