CN1777472A

CN1777472A - 用于晶体生长的高压装置

Info

Publication number: CN1777472A
Application number: CN 200380109114
Authority: CN
Inventors: 马克·P·德弗林; 小罗伯特·V·莱昂内里; 彼得·S·阿利森; 克里斯蒂·J·纳兰; 罗伯特·A·吉丁斯
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2002-12-18
Filing date: 2003-12-05
Publication date: 2006-05-24
Also published as: ZA200505405B

Abstract

一种将容纳在一气密舱中的原料转变成产品晶体的高温/高压装置包括用于独立控制反应室内的平均温度和反应室内的温度梯度的至少两个电加热通路。

Description

用于晶体生长的高压装置

技术领域

本发明一般地涉及用于半导体晶体生长的高压/高温(HP/HT)装置及其方法；更具体地说，涉及可以独立地控制平均温度和温度梯度的HP/HT装置和方法。

背景技术

如美国专利申请公报No.2003/0140845所述，本领域已知传统高压/高温(HP/HT)装置用于制备诸如金刚石、立方体氮化硼(CBN)、六边形氮化硼(HBN)、半导体晶体(例如氮化镓(CaN)晶体)等之类的晶体。

如美国专利No.2941241、4523478、6375446所述，包括容器或室组件(cell assembly)的HP/HT装置可以为带式、模具式、带/模具式或零冲击式，这些专利的内容通过引用被结合于此。这些类型的HP装置包含高达800000～1000,000psi的压力并且温度高达2000℃或更高并不是罕见的。

通常，在这种HP/HT装置中，大的单晶体的生长是在温度梯度下进行的。要结晶的物质的溶解度在室的一端比在另一端大，可使一端上的“源”或“营养”材料溶解，输送(例如通过扩散)至另一端，并外延沉积在一个或多个生长中的晶体上。过饱和和生长速率由温度梯度的大小控制。温度梯度通常是以不允许在运转过程中调节的方式实现的，例如生长区不对称地位于室内，使一端比另一端热。

在现有技术的典型HP/HT装置的室中，加热元件与装置的两个点电接触，例如与顶部和底部砧座电接触，所述室由于通过加热元件的电流而被加热。压力容器的外部部件一般通过诸如水或水/抗冷冻溶液一类的冷却剂的强制对流来冷却。当通过加热元件的电流增大时，室的平均温度升高。然而，在运转过程的所有时间里，室的热端比冷端温度高出一个大约与室的平均温度相对于其初始值的增加量成比例的量。因为室只包含一个独立的加热电路，并且冷却是在固定温度下进行的，所以不可能独立地控制样件的两个不同区域或室内的两个不同位置的温度。

对于在适中压力下生长晶体或处理材料，Porowski等人提出的美国专利No.6273948公开了一种在压力高达20kbar的气体压力容器中进行晶体生长的三区/独立加热炉。然而，在极端条件下，气体压力容器对晶体生长和材料处理的限制很大。首先，气体压力容器能达到的容积和压力有限制。大容积的气体压力容器的最大工作压力一般限制在大约2kbar。商业上出售的小容积的内部加热的压力容器的压力在10kbar以下。第二，气体压力容器是危险的，特别是当在大于5kbar的压力下工作时更危险。

相反，利用固体或液体作为压力介质的HP/HT装置的危险性比气体压力容器小得多，它可达到100kbar以上的显著更高的压力。然而，技术上仍需要独立地控制这些HP/HT装置中至少两个不同区域的温度，以便在大约2kbar～100kbar的压力下，或更具体地说，在大约5kbar～80kbar的压力下利用固体或液体压力介质进行晶体生长或处理材料。

申请人建立了一个极其简单而新型的可使操作者能独立地控制在室中平均温度和室内温度梯度的HP/HT装置。在本发明的一个实施例中，在本发明的新型装置中还实现了改善的晶体生长。

发明内容

本发明涉及直径大于大约2mm、基本上没有翘曲边界并且位错密度小于大约10⁴cm^-2的单晶体，该单晶体是利用高压/高温下的温度梯度再结晶过程生长得到的，其中，在籽晶晶体和源材料之间的温度梯度临时地改变，以便至少在生长过程的一部分过程中增加生长速率。

本发明还涉及通过在一横向限定的模具(die)与上部和下部压力砧座之间建立一电加热通路，将装在容器中的原料转变为产品晶体的高温/高温(HP/HT)处理，其中所述电加热通路包括使得可独立地控制容器上部和下部区温度的电加热通路。

附图说明

图1为在第一现有技术的零冲击式压力装置中的室的横截面图；

图2示出图1所示的零冲击式装置的用于其加热的电通路；

图3为本发明的一个实施例的零冲击式装置的横截面图；

图4示出图3所示的创造性的零冲击式装置的用于其加热的电通路；

图5为本发明的另一个实施例的多砧座式压力装置的横截面图；

图6为图5所示的创造性多钻座式装置的用于其加热的电通路；

图7为本发明的一个实施例的复曲面(凹入砧座)式压力装置的横截面图；

图8示出图7所示的创造性的复曲面式装置的用于其加热的电通路；

图9为现有技术中具有复合砧座的零冲击式装置的一个实施例的横截面图；

图10示出图9所示的创造性的零冲击式装置的用于其加热的电通路；

图11为具有复合模具的另一零冲击式装置的横截面图；

图12示出图11所示的创造性的零冲击式装置的用于其加热的电通路；

图13示出利用图11所示的创造性的复合模具装置可以获得的一系列温度分布图；

图14用图形示出了如示例1中所述的现有技术的零冲击式装置的温度分布图；和

图15用图形示出了如示例2中所述的本发明的一个实施例的零冲击式装置的温度分布图。

具体实施方式

在以下的说明中，相同的标号表示几个图中相同或相应的部件。还应当了解，诸如“顶部”、“底部”、“向外”、“向内”等用语是为了方便而采用的用词，不是限制性用语。还应当注意，这里的说明只是为了说明本发明的实施例，不是将本发明限制于此。

HP/HT处理的一般说明

HP/HT装置是指在升高的压力和温度下，例如压力在大约1bar和100kbar之间，处理材料的装置。在一个实施例中，HP/HT装置或压力容器用于处理超临界流体中的至少一种材料，其中，用于容纳所述至少一种材料和溶剂的密封自加压气密舱(capsule)被设置在容器的室内。溶剂在高温高压下变成超临界流体。HP/HT条件包括大于大约100℃的温度，和大于大约1atm的压力。置于室中的压力传递介质包围自加压气密舱，并保持自加压气密舱上的外压，以防止自加压气密舱破裂或爆炸。

在另一个实施例中，处理至少一种材料必需的高压是在自加压气密舱自身中产生的，而不是从外部向气密舱施加所述必需的压力。当加热气密舱时，溶剂的蒸汽压力增加。给定温度下的溶剂蒸汽压力和气密舱内存在的溶剂的量(也称为“填充百分率”)可由溶剂的相图确定。在足够高的温度和压力下，溶剂变成超临界流体。当在自加压气密舱内的内部压力增加时，自加压气密舱的壁向外变形，并挤压压力传递介质。

在另一个实施例中，压力传递介质热稳定于在超临界流体中处理所述至少一种材料的温度。即：压力传递介质不分解，不与压力容器的其他部件反应，不发生固态相变。压力传递介质可以为固体或液体形式。在HP/HT处理的一个实施例中，压力传递介质在处理温度，例如高达大约1300℃的温度下，保持为固体，并且剪切强度和内部摩擦较小。在另一个实施例中，当放置在压力容器的室中时，压力传递介质被压实至大于大约85％的理论密度，以便避免将过大的孔隙率引入室中。在一个实施例中，压力传递介质包括至少一种碱性卤化物，例如NaCl、NaBr或NaF。在另一个实施例中，压力传递介质可以包括滑石粉、叶蜡石、二硫化钼、石墨、六角形氮化硼、氯化银、氟化钙、氟化锶、碳酸钙、氧化镁、氧化锆、粘土(merylinite clay)、膨润土和硅酸钠中的至少一种。

现有技术的HP/HT装置

为了比较的目的，首先说明现有技术的压力容器。图1和图2示出现有技术的零冲击式压力装置8。HP/HT装置的性能可用其压力响应表征。压力响应定义为相对于参考操作条件，室压力的增加百分数除以使室压力增加的压力增加百分数。如本领域已知的那样，零冲击装置为压力响应在0.2以下，优选在0.05以下的装置。一般，零冲击装置比其他装置更容易在超临界流体处理应用中进行控制，并且能够保持或容纳在容器内产生的压力，而很少或不会压碎容器。虽然，在工作过程中，可能出现一些冲击(例如冲头或砧座之间的分离的增加或减少)，但冲击的程度比在其他设计中小得多。

零冲击装置包括一上部铜盘10和一顶上安装有一模具14的下部绝缘密封垫12。设置在中间的是与一下部环形黄铜环20并置的一上部钢端盖18。在端盖18的下面为一石墨盘22，它位于一环形盐套筒(salt bushing)24的顶部。盐套筒24在其环形空间内包围一柱形加热元件16和一称为“盐”的固体或液体压力传递介质26，例如一种包括氯化钠盐的固体压力传递介质。加热元件可以由GRAFOK^石墨箔、石墨、NICHROME合金(Ni60％、Fe25％、Cr15％)、铌、钛、钽、不锈钢、镍、铬、锆、钼、钨、铼、铪、铂、碳化硅、及其组合中的至少一种构成。在盐26内包含一样件或气密舱28，用于容纳可通过HP/HT转变为晶体的成分(样件)，例如金刚石、立方体氮化硼、氮化镓等。在盐26和盐套筒24下面设置一下部钢端盖30，其被环形叶蜡石套筒32包围。

图2示出加热现有技术装置8的电通路。在图中，电流源34被示出通过线路38与一上冲头(或砧座)36连接，并通过第二线路42与一下冲头(或砧座)40连接，用于它们的加热。上冲头36还与模具14电接触，这用线44示意性示出。电流从顶部砧座36流过顶部端盖18(图1)和石墨盘22(图1)，流过加热元件16，流过底部端盖30(图1)和底部砧座40。因为在这个设计中只设置一个独立的加热电路，因此不可能独立地控制样件28顶部和底部的温度。

本发明涉及一种新颖而极其简单的HP/HT装置，它包括一个在液体或固体压力传递介质中生长晶体(或处理材料)的室。在装置中至少有一个电绝缘体，用于在加热元件中建立至少两个不同的电加热通路，该装置还具有一电力系统，用于独立地控制室中的至少两个位置的温度。其中，籽晶晶体和源材料之间的温度梯度被临时地改变，以便至少在生长过程的一部分过程中，使生长速率增加。

具有双/多加热通路的HP/HT装置

在图3中示出本发明的新型装置的第一个实施例，它可使操作者独立地控制零冲击式装置48的室中的平均温度和室中的温度梯度。

装置8与装置48相同的部件用相同的标号表示。可以看出，上部的钢端盖18被一环形的叶蜡石套筒50包围，叶蜡石套筒48与环形的叶蜡石套筒32一起，使砧座36和40与模具14电绝缘。为了将反应室分成上部和下部，在加热器或加热元件16的顶部和底部之间的大致中间位置，设置一导电圈52。加热元件16可以为加热管或加热箔、带、杆、金属丝、环或其组合的形式。加热元件16可以包括石墨箔、石墨、镍铬合金、铌、钛、钽、不锈钢、镍、铬、锆、钼、钨、铼、铪、铂、碳化硅及其组合中的至少一种。在一个实施例中，加热元件16沿着其长度的电阻率不均匀，以形成温度梯度。不均匀的电阻率可以用下述方法形成：例如，使加热元件16的厚度不均匀，在选定点处将至少一个加热元件穿孔，或提供至少一个加热元件16，它包括在沿着所述至少一个加热元件16的长度的选定点上具有不同电阻率的至少二种材料构成的层叠体。

圈52沿着其内径与加热元件16接触，并沿着其外径与模具14接触。圈52可由GRAFOIL^石墨箔、石墨、NICHROME合金(Ni 60％、Fe 25％、Cr 15％)、铌、钛、钽、不锈钢、镍、铬、锆、钼、钨、铼、铪、铂、碳化硅及其合金和组合物中的至少一种构成。

如图4所示，一主加热器电力施加在砧座36和40之间，差动加热器电力施加在模具14和砧座36或砧座40之间。或者，一加热器电路可以加在模具14和砧座36之间，并可加在模具14和砧座40之间加一第二电路。为了监视或控制室内两个位置的温度，在样件的顶部和底部，通过室部件，将温度传感器54和56插入至所希望的位置。在本发明的一个实施例中，温度传感器为热电偶、热敏电阻、耦接至一光学高温计的光学纤维或其任何组合的形式。

气密舱28可自加压到1atm(～1bar)和大约80kbar之间。在一个实施例中，气密舱28可加压到大约5kbar和大约80kbar之间。一般，气密舱28由可延展的金属制成，例如但不限于，铜、银、金、铂、不锈钢等。在另一个实施例中，气密舱28的氢渗透性低，并且对于超临界流体和要在气密舱28内被处理的材料在化学上呈惰性。

经过小的改造，本发明的上述实施例可以应用于带式装置、活塞气缸装置、多砧座压力机装置或平分球装置(split-sphere apparatus)中，用于金刚石或立方体氮化硼的生长，或在HP/HT下生长或处理其他材料。

在带式装置的一个实施例中，HP/HT室结构非常类似图3所示结构，但砧座和模是渐缩的，而不象在零冲击装置中那样沿着一个平面接触。在活塞气缸装置中，一般至少一个砧座与模具电接触，但每一个元件可以利用与图3的结构类似的绝缘套筒和密封垫来电隔离。

图5示出本发明在多砧座压力机装置58中的应用。大部分室结构与图3所示的非常相似。然而，室由4个或更多个砧座60，62，64和68，而不是由一个模具和两个砧座限定边界。通过至少一个电绝缘密封垫70，室本身与砧座隔离，并且砧座互相隔离。在一个实施例中，绝缘密封垫包括天然或合成橡胶、Mylar^(聚酯薄膜)、聚酰亚胺、Teflon^(碳氟化合物聚合物、四氟乙烯碳氟化合物、氟化乙烯丙烯等)、叶蜡石、滑石粉、橄榄石、氧化镁、碳酸钙、氧化钙、氧化锶、氧化钡、夹木胶布(textilite)和类似的胶粘纸复合物、粘土、膨润土、硅酸钠和六角形氮化硼中的至少一种。

加热器16的每一个端部之间的电接触被制作成通过密封垫或内衬70中的顶部和底部导电衬垫72和74将砧座隔离。在一个实施例中，非绝缘的或导电的密封垫衬垫72和74包括本领域已知的材料，例如，铜、黄铜、钼、石墨、镍、钴、铁、不锈钢或其组合中的至少一种。

加热器16的中心部分和一个或多个砧座之间其它接触通过一内衬或圈52来实现。主加热器电力施加在砧座36和40之间，差动加热器电力施加在砧座14和砧座60或62之间，如图6所示那样。

在平分球式装置中，室被包含在相对的半球形空腔内的多个砧座中，所述空腔在操作过程中被加压。室的结构与图5所示的结构非常相似。

这个概念可以用于凹入砧座式装置，例如图7所示的复曲面以及相关的构造。与单个加热元件分别在顶端和底端处与顶部和底部砧座接触不同，一盘或模具76设置在两个砧座78和80之间，通过电绝缘密封垫82和84互相隔离，并设置成与加热元件16的中心部分电接触。主加热器电力施加在砧座78和80之间，而差动加热器电力施加在盘76和砧座78或80之间，如图8所示。

在可以用于带式装置、零冲击装置、多砧座压力机装置或复曲面式装置的本发明的另一个实施例中，模具或冲头中的至少一个包括一复合冲头或模具，其中至少两个导电元件通过一电绝缘体彼此隔离。复合冲头可由具有柱形对称性的嵌套式部件构成。复合模具可通过堆叠两个或更多由电绝缘体隔离的模具件构成。加热器由通过一个或多个电绝缘体隔离的至少两个加热元件构成。加热器经由例如不均匀的横截面，在室内形成不均匀的热分布，以便通过选择性地相对于其它加热器对一个加热器施加电力，可以使室的一部分加热得比另一个部分多。

在图9中示出本发明的零冲击装置的另一个实施例。与单个加热元件不同，该室包括至少两个嵌套的加热元件，包括一加热器管形式的外加热元件86和一嵌套的内加热管88。每一个管具有不均匀的横截面，使得在加热器的一些区域(横截面较小的区域)比其他区域产生较大的电阻加热。两个加热器的最大热分散区域设置在室中的不同位置，例如，其中一个加热器优先加热室的上半部(例如，加热管86)，而另一个加热器优先加热室的下半部(例如，加热管88)。这样，室的不同区域的相对温度，可以通过改变不同加热器消耗的总功率比率来控制。

在电力提供给两个或多个加热器的一个实施例中，室的端盖以及上砧座和下砧座包括由绝缘体隔离的嵌套部件，如图9和10所示，例如，由绝缘环94隔离的上部外端盖90和上部内端盖92；而由绝缘环100隔离的下部外端盖96和下部内端盖98。如图10所示，独立的电路通过分别由电绝缘体110和112隔离的内砧座元件102、104和外砧座元件106和108分别将电力提供给内加热器和外加热器。或者，可以省略绝缘体110或112中的一个，使得两个电路共享一个砧座作为公共电元件。

在图11中示出零冲击装置的又一个实施例。模具包括一个复合模具，它带有至少两个由绝缘体隔离的堆叠的盘或模具区段。至少两个圈提供加热器的两个或多个中间位置与模具区段之间的电接触。如图11所示，模具区段114、116和118由电绝缘体120和122隔离。如图12所示，主加热器电力施加在砧座36和40之间，而差动加热器电力施加在砧座36和40中的一个与每一个模具区段之间。这个实施例的优点为，能够提供对样件中的温度分布的更细致的控制，而这对于晶体从其熔融状态或流动状态的生长特别有用。如图13中实曲线124所示，可以调整加在加热器各个区段上的功率，以便在样件的底部附近，形成较陡峭的温度梯度，而这适合于在低温下形成晶体。然后，如图13的箭头所示，当操作进行时，调节功率，使温度梯度的位置向上移动(如虚线所示)，同时保持下部和上部温度的值大致相同。这样，结晶区域的位置可以向上移动，以便将样件的更多部分形成为单晶体。

应当认识到，通过使用例如图5所示的衬垫72和74那样的导电衬垫等，以及从它们引出的用于连接电源的合适电引线，可以实现电连接。本领域技术人员知道，为了实现本发明的方案，在必须、希望或方便的位置以串联和/或并联方式设置这种电连接。

具有受控的冷却装置的HP/HT装置

在本发明的另一个实施例中，通过独立控制用于冷却压力容器的部件(例如相对的砧座、一个砧座和模具)的冷却剂的温度，可以实现差动温度控制。

差动冷却提供室的不同侧上的不同的可控的边界条件，因此可以独立控制室的至少两个不同位置的温度。如上所述，这个实施例可以用于带式压力机、零冲击压力机、活塞气缸式压力机、多砧座压力机、复曲面式压力机或平分球压力机。

在使用差动冷却来控制温度平均值和温度梯度的本发明的一个实施例中，对于更有限的温度梯度范围，只需要带有单个电源的单个加热通路。

在这个实施例中，通过控制冷却剂温度的温度控制的时间常数会比具有多个加热通路的实施例的时间常数大得多，因为在室的边界温度改变之前，热容量很大的压力部件(例如砧座)的温度必须改变。

本发明的HP/HT装置的应用

新型的压力容器/HP/HT装置可以用于形成诸如但不限于金刚石、包括单晶组III-V、II-VI复合物的氮化物等一类材料的单晶体。

为了形成这种单晶体，在自加压气密舱内密封至少一种源材料，例如一个或多个GaN籽晶晶体、GaN源材料、以及在HP/HT条件下变成超临界流体的溶剂(例如氨)。然后，利用本发明的HP/HT装置，将HP/HT条件加在气密舱上，在该条件下，溶剂变成超临界流体，其与至少一种材料反应，形成单晶体。

在HP/HT操作的一个实施例中，以大约1℃/小时和1000℃/小时的平均速率下，首先将气密舱加热至生长温度，例如，在一个实施例中为大约500℃和1500℃之间，在另一个实施例中为550℃到1200℃。本发明的装置可以在大约1分钟～2小时的时间内，将温度梯度控制为小于大约25℃，在一个实施例中控制为小于15℃，在另一个实施例中控制为小于大约10℃，以便系统在平衡阶段平衡。温度梯度具有通过加热顺序形成过饱和，从而促进自发形成晶核的作用。为了在建立平衡后得到高的生长速率，希望温度梯度大于25℃。如上所述，温度梯度为气密舱端部(例如设置温度传感器的位置)的温度差。相对于源材料位置的温度，在籽晶晶体或形成晶核的中心的位置上的温度梯度一定程度上更小。

在该平衡周期之后，可以提供温度梯度幅值增加，并且其符号使籽晶晶体以较大速率生长的一个生长周期。例如，温度梯度可以以大约0.01℃/小时和25℃/小时之间的速率增加至生长更快的一更大的值。在晶体生长过程中，温度梯度的幅值可以保持为5℃和300℃之间，并且在生长过程中可以向上或向下调节。在另一个实施例中，温度梯度可以改变，以具有一个与籽晶晶体处出现生长的情况下的符号相反的符号。梯度的符号可以翻转一次或多次，以便交替地蚀刻掉任何自发形成的核以及促进在一个或多个晶核形成中心或籽晶晶体上的生长。

在生长周期结束时，气密舱温度可以以大约1℃/小时和1000℃/小时之间的，例如大约1℃/小时和300℃/小时之间的速率缓慢降低，以减小对生长的晶体的热冲击。将包括气密舱和压力介质的室从压力容器中移出，并将气密舱从室中取出。

在操作中，可以发现能够独立控制室中的平均温度和室内温度梯度的本发明的装置可以生产出单晶组III-V，II-VI复合物，该复合物的晶体缺陷密度小，晶体生长产率得到提高，并且块材料特性得到改善。在一个实施例中，本发明的装置可以生产大的氮化镓单晶体，直径和厚度在大约0.02英寸(大约0.05cm)～大约12英寸(大约30cm)范围，例如大小在大约2～6英寸的范围内。在另一个实施例中，所形成的晶体具有基本上没有倾斜的边界；小于10⁴cm^-2的位错密度；在大约300°K的晶体温度下，峰值出现在大约3.38和大约3.41ev的电子能量处的荧光光谱；对于700nm(红色)和465nm(兰色)之间的波长，大约在5cm^-1以下的光吸收系数；峰值大约为3175cm^-1并且每单位厚度的吸收率大于大约0.01cm^-1的红外线吸收峰值；以及大于大约0.04ppm的氟浓度。

生长得到的晶体可用本领域公知的方法切成一个或多个晶片。GaN晶体或晶片可用作外延的Al_xIn_yGa_l-x-yN薄膜(其中，0≤x≤1和0≤y≤1，0≤x+y≤1)、发光二极管、激光二极管、光电检测器、雪崩光电二极管、晶体管、二极管和其他光电子和电子器件的衬底。

示例

这里提供一些示例来说明本发明，但不限制本发明的范围。

示例1-现有技术的室

如美国专利申请公报No.2003/0141301所述，0.5英寸直径的银气密舱装入多晶氮化镓(三个籽晶，每一个重3～4mg)、氟化铵和氨，并且密封。如在美国专利申请公报No.2003/0140845所述以及图1和图2所示，密封的气密舱放在零冲击HP/HT装置中的室中。

在室的底部，气密舱由高度为0.934英寸的氯化钠塞与钢端盖隔离。在室的顶部，气密舱由高度为0.624英寸的氯化钠塞与钢端盖隔离。端盖通过向水冷却的砧座的热传导而被冷却，因此，由于氯化钠绝缘层较薄，在HP/HT工作过程中，容器顶部比容器的底端冷。

通过使电流流过包围气密舱的石墨管加热器，可将气密舱从室温加热至大约750℃。在整个运转中，气密舱顶部的温度比气密舱底部的温度低的量与气密舱平均温度和室温之间的差近似成比例。

通过改变在气密舱上面和下面的绝缘氯化钠层的相对厚度，可以调节在容器平均温度750℃下的温度梯度的大小，但是当操作进行时，不能独立于平均温度，以任何显著的程度调节相对梯度。

从图14可以看到这个室的温度分布图，其中线180为气密舱28的顶部温度分布，线182为气密舱28的底部温度分布。两个温度利用未经压力校正的铬铝合金(K型)热电偶测量的。可以发现，在2小时左右的温差大约为65℃，在大约6～12小时的期间里，温差约为80℃。

当排出氨后打开气密舱时，在气密舱的底部发现许多自发形成的具核晶体，最大的晶体的直径为0.5mm。

示例2-本发明的装置

和示例1一样，银气密舱装入多晶氮化镓、一个籽晶晶体、氟化铵和氨，并放置在一个室中。然而，如图3所示，除了具有从室的顶部延伸到底部的一个石墨加热元件以外，一环形石墨盘位于室的竖直中点处，其内径与加热元件接触，其外径与模具壁接触。

如图15所示，通过使电流流过石墨管加热器，气密舱从室温被加热至大约700℃。和示例1一样，气密舱的顶部温度比气密舱底部温度低的量与气密舱的平均温度和室温之间的差近似成比例。

一旦底部温度达到700℃，电流流过顶部砧座和模具之间的辅助电路，差动地加热气密舱的上半部。利用闭环温度控制，使流向中心加热器的电流减小，使得当气密舱顶部温度增加至700℃时，气密舱下半部的温度保持恒定。一旦气密舱顶部温度达到700℃，则将其保持恒定，使得在气密舱中没有过饱和，并且室可在没有不希望的成核或晶体生长的情况下达到平衡。在60分钟后，气密舱顶部的温度以0.17℃/min的受控速率下缓慢上升至650℃，以受控的速率，产生受控的过饱和，然后再保持恒定。

当在排出氨后打开容器时，籽晶生长至重量大约为40mg。然后，晶体在50％HNO₃中蚀刻30分钟。在籽晶和新的横向生长的材料之间的界面上方的c-表面上观察到一排蚀刻坑。然而，新生长的GaN的其余区域没有蚀刻坑。没有坑的新生长的GaN的面积大约为6.9×10^-2cm²，这表示蚀刻坑的密度小于1/6.9×10^-2cm²或14cm^-2。

在图15中，线184表示气密舱28的顶部的温度分布，而线186表示气密舱28的底部的温度分布。其中使用了与示例1相同的热电偶。

可以观察到，起初在1小时左右，温度差大约为68℃。在大约2～14小时浸渍期间，气密舱28的顶部和底部之间的最小温差大约为7℃，最大温差大约为49℃。

作为反应室内高度的函数的图15所示的分布曲线对于晶体生长很有用。如图所示，与示例1中所述的温差比较，顶部和底部气密舱温差急剧变小，并且是可控的。

虽然已参照优选实施例说明了本发明，但本领域技术人员应该理解，在不背离本发明的范围的条件下，可作各种改变，并可用等同元件代替本发明中的元件。本发明并不限于作为实现本发明的最佳模式公开的具体实施例，本发明包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。这里所引用的文献特地通过引用被结合于此。

本发明要求对2002年12月18日提出的美国临时专利申请No.60/435189享有优先权。

Claims

1.一高温/高压装置，它包括：

(a)一压力容器，其包括一用于在液体或固体压力传递介质中生长晶体或处理材料的室；

至少一个用于加热所述室的加热元件；

至少一个给所述加热元件供电的电力系统；

(g)至少一个设置在所述压力容器内的电绝缘体，用于在所述加热元件和所述电力系统之间建立至少两个电加热通路，以独立地控制所述室中的至少两个位置的温度。

2.一高温/高压装置，用于在一室中，在液体或固体压力传递介质中生长晶体或处理材料，其中

当将所述室加热至500℃和1300℃之间的生长温度时，所述室内的两个位置之间的温度差可以调节至15℃以下的最小值和大于25℃的最大值。

3.在权利要求1所述的高温/高压装置中生长的氮化镓单晶体，其中

所述氮化镓单晶体具有一小于10⁴/cm²的位错密度。

4.如权利要求1所述的高温/高压装置，其中

所述室包括至少一个温度传感器，用于测量所述室中的至少一个位置的温度，并且其中，所述温度传感器为选自热电偶、热敏电阻、耦接到一光学高温计的光纤或其任何组合中的一个。

5.如权利要求1所述的高温/高压装置，其中

所述室包括一横向限定的模具和至少一个上部压力砧座和下部压力砧座；

加热元件包括一柱形加热元件，其至少一个端部与所述砧座中的至少一个电接触；

所述模具或所述砧座中的至少一个与所述加热元件的中心部分电接触。

6.如权利要求1所述的高温/高压装置，其中

所述装置还包括所述至少一个砧座内的嵌套元件，一电绝缘体将所述嵌套砧座元件隔离；

所述室由一横向限定的模具和至少一个上部压力砧座和下部压力砧座界定，所述模具和压力砧座中的至少一个包括一嵌套砧座元件；

所述加热元件包括至少两个嵌套的柱形加热元件，每一个所述加热元件具有至少两个端部；并且其中，所述元件中的至少一个具有不均匀的横截面；

每一个所述柱形加热元件的第一端部与所述嵌套砧座元件或所述砧座中的至少一个电接触，而每一个所述柱形加热元件的第二端部与不同的砧座或嵌套砧座元件独立电接触。

7.如权利要求1所述的高温/高压装置，其中

所述装置还包括一上部压力砧座和一下部压力砧座；所述室由至少两个横向限定的模具界定，所述模具具有由至少一个绝缘体彼此电隔离的至少两个部件；

所述加热元件的至少一部分与所述模具中的至少一个电接触，而所述加热元件的至少另一个部分与所述砧座中的至少一个电接触。

8.如权利要求1所述的高温/高压装置，其中

所述压力容器选自带式装置、零冲击装置、活塞气缸装置、多砧座压力机、平分球装置和复曲面装置中的一个。

9.如权利要求1所述的高温/高压装置，其中

所述压力容器包括一复曲面装置，其具有与所述加热元件的相反端部电接触的上部凹入砧座和下部凹入砧座，其中所述凹入砧座之间的至少一个盘元件与所述加热元件的至少一部分电接触；并且所述复曲面装置还包括将所述盘元件彼此隔离并与所述上部砧座和下部砧座隔离的绝缘体。

10.如权利要求1所述的高温/高压装置，其中

所述加热元件由石墨箔、石墨、Ni(60％)/Fe(25％)/Cr(15％)合金、铌、钛、钽、不锈钢、镍、铬、锆、钼、钨、铼、铪、铂、碳化硅及其组合中的至少一个构成。

11.如权利要求1所述的高温/高压装置，其中

所述压力传递介质包括碱性金属卤化物、滑石粉、叶蜡石、二硫化钼、石墨、六角形氮化硼、氯化银、氟化钙、氟化锶、碳酸钙、氧化镁、氧化锆、粘土、膨润土、硅酸钠及其组合中的一个或多个。

12.如权利要求1所述改进的高温/高压装置，其中

所述装置能够在大约2kbar和大约100kbar之间的压力范围内生长晶体。

13.如权利要求1所述的高温/高压装置，其中

所述加热元件为选自加热管、受热箔、带、杆、金属丝、环或其组合中的至少一个。

14.一种使用一高温/高压装置在液体或固体压力传递介质中处理样件的方法，所述方法包括以下步骤：

将所述样件放入所述高温/高压装置中，所述装置包括一压力容器，所述容器包括一设置在所述压力容器中的室；一用于加热所述室的加热元件；一用于给所述加热元件供电的电力系统；至少一个设置在所述压力容器内的电绝缘体，用于在所述加热元件和所述电力系统之间建立至少两个电加热通路，以独立地控制所述室中的至少两个位置的温度；

通过使所述样件经受高压高温条件，处理所述样件，其中，对于所述室内的至少两个不同的位置，温度独立受控。

15.如权利要求14所述的方法，其中

所述室包括至少一个温度传感器，用于测量所述室中的至少一个位置的温度，并且其中，所述温度传感器为选自热电偶、热敏电阻、耦接至一光学高温计的光纤或其组合中的一个。

16.如权利要求14所述的方法，其中

所述室由一横向限定的模具和至少一个上部压力砧座和下部压力砧座界定；

所述加热元件包括一柱形加热元件，其具有与至少一个所述砧座电接触的至少一个端部；

所述模具或所述砧座中的至少一个与所述加热元件的一中心部分电接触。

17.如权利要求14所述的方法，其中

所述装置还包括所述至少一个砧座内的嵌套元件，其中一电绝缘体将所述嵌套砧座元件隔离；

18.如权利要求14所述的方法，其中

所述高温/高压装置还包括一上部压力砧座和一下部压力砧座；所述室由至少两个横向限定的模具界定，所述模具具有由至少一个绝缘体彼此电隔离的至少两个部件；

19.如权利要求14所述的方法，其中

所述压力容器为选自带式装置、零冲击装置、活塞气缸装置、多砧座压力机、平分球装置和复曲面装置中的一个。

20.如权利要求19所述的方法，其中

所述压力容器包括一复曲面装置，其具有与所述加热元件的相反端部电接触的上部凹入砧座和下部凹入砧座，其中所述凹入砧座之间的至少一个盘元件与所述加热元件的至少一个其它部分电接触；并且绝缘体将所述盘元件彼此隔离并与所述上部砧座和下部砧座隔离。

21.如权利要求14所述的方法，其中

所述加热元件由石墨、Ni(60％)/Fe(25％)/Cr(15％)合金、铌、钛、钽、不锈钢、镍、铬、锆、钼、钨、铼、铪、铂、碳化硅中的一个或多个构成。

22.如权利要求14所述的方法，其中

所述压力传递介质包括碱性金属卤化物、滑石粉、叶蜡石、二硫化钼、石墨、六角形氮化硼、氯化银、氟化钙、氟化锶、碳酸钙、氧化镁、氧化锆、粘土、膨润土、硅酸钠中的一个或多个。

23.如权利要求14所述的方法，其中

所述处理包括在大约2kbar和大约100kbar之间的压力范围内由所述样件生长晶体。

24.如权利要求18所述的方法，其中

25.一高温/高压装置，它包括：

(b)至少一个用于加热所述室的加热元件；

(c)至少一个给所述加热元件供电的电力系统；

(e)设置在所述压力容器内的至少一个冷却回路，用于独立地控制所述室内的至少两个位置的温度。

26.如权利要求25所述的高温/高压装置，其中

所述室由一横向限定的模具和至少一个上部压力砧座和一下部压力砧座界定，

其中，所述冷却回路与所述横向限定的模具和所述至少一个砧座相关联。

27.一种用权利要求14所述的方法生长的氮化镓晶体，其中，

所述晶体具有小于10⁴/cm²的位错密度。