CN218321736U - 用于生长ⅲ族氮化物材料的设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于生长III族氮化物材料的设备，包括氨供应装置、反应容器、氨输送管路、氨缓冲存储装置、氨计量装置和增压装置；所述氨输送管路包括第一氨输送管路；所述氨缓冲存储装置的氨入口与氨供应装置的氨出口连接，所述氨缓冲存储装置的氨出口通过第一氨输送管路与反应容器的氨注入口连接；所述增压装置与第一氨输送管路连接，用于对流经第一氨输送管路的氨气进行增压；所述氨计量装置与氨缓冲存储装置配合设置，用于监测从氨缓冲存储装置输入反应容器的氨的量。利用本实用新型可以显著提高向用于生长III族氮化物材料的反应容器内填充氨的效率，并有效提升氨的注入精度。

Description

用于生长Ⅲ族氮化物材料的设备

技术领域

本实用新型具体涉及一种用于生长III族氮化物材料的设备。

背景技术

近年来，基于GaN的电力电子器件、光电器件等在全彩显示、半导体照明和电力电子、微波功率和高能探测等方面展示了极广阔的应用前景。高质量、大尺寸、低成本GaN 单晶衬底是制备耐高压、高功率密度、高性能和高可靠性器件的重要技术支撑，对氮化物半导体产业的发展有至关重要的影响。在当前常用的GaN单晶制备工艺中，氨热法生长技术因结晶质量高、易规模放大等优点，具有很好的产业化前景。然而，现有氨热法生长设备仍存在一些不足之处，例如其大多是通过向冷凝器中供给气态氨，并在冷凝器中将气态氨转化为液态氨，然后将液态氨填充至反应容器，不仅氨的填充效率低，且氨的填充质量不精确。

发明内容

本实用新型的主要目的在于提供一种用于生长III族氮化物材料的设备，以克服现有技术中的不足之处。

为实现前述发明目的，本实用新型采用的技术方案包括：

本实用新型的一些实施例提供了一种用于生长III族氮化物材料的设备包括氨供应装置、反应容器、氨输送管路、氨缓冲存储装置、氨计量装置和增压装置；所述氨输送管路包括第一氨输送管路；

其中，所述氨缓冲存储装置的氨入口与氨供应装置的氨出口连接，所述氨缓冲存储装置的氨出口通过第一氨输送管路与反应容器的氨注入口连接；

所述增压装置与第一氨输送管路连接，用于对流经第一氨输送管路的氨气进行增压；

所述氨计量装置与氨缓冲存储装置配合设置，用于监测从氨缓冲存储装置输入反应容器的氨的量。

在一个实施例中，所述氨输送管路还包括第二氨输送管路；所述氨缓冲存储装置的氨入口通过第二氨输送管路与氨供应装置的氨出口连接，且所述第二氨输送管路上设有第一截止阀。

在一个实施例中，所述氨计量装置包括称重装置，所述称重装置用于称量氨缓冲存储装置的重量。

在一个实施例中，所述增压装置包括增压泵，所述增压泵与驱动设备连接。

在一个实施例中，所述第一氨输送管路上还设有第一单向阀，所述第一单向阀设置于氨缓冲存储装置和增压装置之间。

在一个实施例中，所述增压泵包括驱动缸体和被增压介质缸体，所述被增压介质缸体包括不锈钢缸体和惰性金属内衬，所述惰性金属内衬设置于不锈钢缸体内。

在一个实施例中，所述驱动设备包括空气压缩机。

在一个实施例中，所述的设备还包括吹扫气路组件，所述吹扫气路组件与第一氨输送管路连接。

在一个实施例中，所述的设备还包括抽真空组件，所述抽真空组件包括抽真空管路，所述抽真空管路用于将真空泵与反应容器的氨注入口连接。

在一个实施例中，所述抽真空管路上还设有第二单向阀。

在一个实施例中，所述第一氨输送管路及抽真空管路经一连接管路与反应容器的氨注入口连接，所述连接管路上设有第二截止阀。

在一个实施例中，所述反应容器包括高压釜。

在一个实施例中，所述的设备还包括支撑底座，所述反应容器设置在支撑底座上。

在一个实施例中，所述的设备还包括控制单元，所述控制单元与氨计量装置及增压装置连接。

较之现有技术，本申请通过在III族氮化物材料的生长设备中设置增压装置和氨计量装置，可以利用增压装置将氨缓冲存储装置输出的氨气压缩为液态氨后迅速填充入反应容器，从而显著提高了液氨的填充效率，同时还可以利用氨计量装置快速、精确的计量出填充入反应容器的液氨的量，进而能促进III族氮化物材料的生长效率和质量。

附图说明

下面参照附图描述本实用新型的示例性实施方式。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实用新型，而不用于穷举本实用新型的所有可行的方式，也不用于限制本实用新型的保护范围。

图1是本实用新型一实施例中一种用于生长III族氮化物材料的设备的结构示意图；

图2是本实用新型一实施例中一种增压装置的工作原理图；

附图标记说明：氨供应装置1、氨缓冲存储装置2、氨计量装置3、增压装置4、增压泵41、驱动缸体411、被增压介质缸体412、空气压缩机42、反应容器5、第一氨输送管路6、第一截止阀71、第二截止阀72、吹扫气路组件8、抽真空组件9、抽真空管路91、真空泵92、第一单向阀101、第二单向阀102、支撑底座11、高压表12。

具体实施方式

请参阅图1，本实用新型的一个实施例提供的一种用于生长III族氮化物材料的设备包括氨供应装置1、氨缓冲存储装置2、氨计量装置3、增压装置4、反应容器5和氨输送管路。所述氨输送管路用于将氨供应装置1、氨缓冲存储装置2、反应容器5等相互连接。

其中，所述氨输送管路包括第一氨输送管路6和第二氨输送管路。氨缓冲存储装置2 的氨入口通过第二氨输送管路与氨供应装置1的氨出口连接。氨缓冲存储装置1的氨出口通过第一氨输送管路6与反应容器5的氨注入口连接。氨供应装置1可以是液氨钢瓶等。氨缓冲存储装置2也可以采用钢瓶等容器。反应容器5可以是高压釜。该第二氨输送管路上还可设有第一截止阀71，用于控制第二氨输送管路的通断。

其中，增压装置4与第一氨输送管路6连接，并用于对流经第一氨输送管路6的氨气进行增压，特别是将其压缩为适于填充入反应容器5的液态氨。

适用于本实用新型的增压装置4可以有多种。其中的一种增压装置4包括增压泵41，增压泵41与驱动设备连接，该驱动设备可以选用空气压缩机42等。进一步的，增压泵 41包括驱动缸体411和被增压介质缸体412，被增压介质缸体包括不锈钢缸体和惰性金属内衬，惰性金属内衬设置于不锈钢缸体内，用于防止氨气对被增压介质缸体造成腐蚀。此外，该增压装置还可以包括增压泵的控制系统，其用于控制增压装置的压力参数等。

依据物理学知识可知，增压泵是基于帕斯卡原理工作的，其由驱动压力工作面积与被增压介质缸体的面积之比，形成驱动压力与被增压介质的压力之比。面积比越大，被增压介质压力越大，被增压介质压力＝即驱动压力×(驱动缸体面积÷被增压缸体面积)。

本实施例中，可以依据实际应用需求而选取合适规格的增压泵41。例如，可以选用具有如下特点的增压泵，即：驱动气压为0-0.8Mpa、输出压力为0-4Mpa，且输出压力和驱动气压成正比，增压流量0-5L/min。一般来说，增压泵41具有压力无级可调的特性，因此在本实施例中，还可以依据所需的液态氨填充速度等实时调整增压泵41的工作参数，使液态氨的填充效率更高、可控性更好。

参阅图2，本实施例中，还可在第一氨输送管路6上还设有一个或多个第一单向阀101，其中一个第一单向阀可以设置于增压装置4的氨气入口与氨缓冲存储装置2的氨出口之间，另外还可以在增压装置4的液氨出口与反应容器5的氨注入口之间设置另一第一单向阀。

其中，氨计量装置3与氨缓冲存储装置2配合设置，用于监测从氨缓冲存储装置2输入反应容器5的氨的量。进一步的，氨计量装置3可以包括称重装置，用于称量氨缓冲存储装置2的重量。称重装置可以采用机械称、电子称等。本实施例中优选采用高精度电子天平(精度0.1g)，并可将氨缓冲存储装置2设置在高精度电子天平上，以实时显示氨缓冲存储装置2的重量变化，进而可以快速、精确计算出填充入反应容器的液态氨的质量，提高填充精度。

本实施例的设备还包括吹扫气路组件8，所述吹扫气路组件8与第一氨输送管路6连接。利用吹扫气路组件8，可以吹扫去除整个氨输送管路中余留的空气或其它可能带来污染的气体。吹扫气路组件8可以采用本领域习用的吹扫气路组件，此处不再对其结构等进行详细说明。

本实施例的设备包括抽真空组件9，抽真空组件9包括抽真空管路91，抽真空管路91 用于将真空泵92与反应容器5的氨注入口连接。抽真空组件9可以采用本领域习用的抽真空组件，此处不再对其结构等进行详细说明。利用抽真空组件9，可以排除反应容器5中的有害气体或其它挥发性杂质。此外，抽真空管路91上还可设有第二单向阀102。

其中，第一氨输送管路6及抽真空管路91经一连接管路与反应容器5的氨注入口连接，连接管路上可以设有第二截止阀72，用于控制该连接管路的通断。该连接管路可以是软管、波纹管或其它合适管路。

本实施例的设备还可以包括支撑底座11等，反应容器5设置在支撑底座11上。

优选的，本实施例的设备还包括控制单元(图中未示出)，控制单元与氨计量装置3及增压装置4连接。在一些情况下，控制单元可以依据氨计量装置3输送的信号，向增压装置4发出控制指令，并调控增压装置4的工作参数。控制单元可以采用个人计算机、MCU、 PLC等，且不限于此。

此外，本实施例中，还可以在前述第一氨输送管路6、第二氨输送管路、吹扫气路组件8、抽真空管路91和连接管路上设置流量计、气压计等装置以及各类习用的阀。以及，还可以在反应容器5上设置诸如高压表12、温度计等装置，以监控其内部的反应状态等。前述流量计、气压计、温度计、高压表及阀也可以与控制单元连接。

附及，图1中各箭头均用于指示流体(如氨气、液氨、吹扫气体等)的流动方向。

一种利用本实施例的设备进行氨填充的方法包括如下步骤：

S1、将作为反应容器5的高压釜放入支撑底座11。

S2、连接整个氨输送管路。

S3、打开吹扫气路组件8吹扫整个氨输送管路，然后利用抽真空组件9对整个系统抽真空，反复3次以上。

S4、打开第一截止阀71，使氨供应装置1向氨缓冲存储装置2输送氨气，待输送完毕且作为氨计量装置3的高精度电子天平的读数稳定后，读取氨供应装置1的总重量为 M1。

S5、打开增压装置4的进气阀，使氨缓冲存储装置2输出的氨气进入增压泵，以增压泵将其增压至2-4Mpa，形成液态氨，并通过第二截止阀72快速填充入高压釜。液态氨的流向如图2中的箭头所示。

S6、填充结束后，关闭增压装置4的进气阀，再次记录高精度电子天平的读数M2。由于第一氨输送管路6等的容积已知，故而可以计算出其中残留氨气的质量为M3。进而可以快速精确的计算出填充入高压釜的氨气质量M＝M1-M2-M3。

在前述的步骤S1中，还可以预先在惰性气氛中向高压釜内装入多晶氮化镓、矿化剂等原料。

利用本实施例的系统及方法，可以显著提高向用于生长III族氮化物材料的反应容器内填充氨的效率，并有效提升氨的注入精度，且该系统结构简单，操作方便，成本低，适于工业化应用。

尽管已参考说明性实施例描述了本实用新型，但所属领域的技术人员将理解，在不背离本实用新型的精神及范围的情况下可做出各种其它改变、省略及/或添加且可用实质等效物替代所述实施例的元件。另外，可在不背离本实用新型的范围的情况下做出许多修改以使特定情形或材料适应本实用新型的教示。因此，本文并不打算将本实用新型限制于用于执行本实用新型的所揭示特定实施例，而是打算使本实用新型将包含归属于所附权利要求书的范围内的所有实施例。此外，除非具体陈述，否则术语第一、第二等的任何使用不表示任何次序或重要性，而是使用术语第一、第二等来区分一个元素与另一元素。

Claims (11)

1.一种用于生长Ⅲ族氮化物材料的设备，包括氨供应装置（1）、反应容器（5）和氨输送管路；其特征在于：所述的设备还包括氨缓冲存储装置（2）、氨计量装置（3）和增压装置（4）；所述氨输送管路包括第一氨输送管路（6）；

其中，所述氨缓冲存储装置（2）的氨入口与氨供应装置（1）的氨出口连接，所述氨缓冲存储装置的氨出口通过第一氨输送管路（6）与反应容器（5）的氨注入口连接；

所述增压装置（4）与第一氨输送管路（6）连接，用于对流经第一氨输送管路（6）的氨气进行增压，并且所述第一氨输送管路（6）上还设有第一单向阀（101），所述第一单向阀（101）设置于氨缓冲存储装置（2）和增压装置（4）之间；

所述氨计量装置（3）与氨缓冲存储装置（2）配合设置，用于监测从氨缓冲存储装置（2）输入反应容器（5）的氨的量；

其中，所述氨计量装置（3）包括称重装置，所述称重装置用于称量氨缓冲存储装置（2）的重量，所述增压装置（4）包括增压泵（41），所述增压泵（41）与驱动设备连接。

2.根据权利要求1所述的用于生长Ⅲ族氮化物材料的设备，其特征在于：所述氨输送管路还包括第二氨输送管路；所述氨缓冲存储装置（2）的氨入口通过第二氨输送管路与氨供应装置（1）的氨出口连接，且所述第二氨输送管路上设有第一截止阀（71）。

3.根据权利要求1所述的用于生长Ⅲ族氮化物材料的设备，其特征在于：所述增压泵（41）包括驱动缸体和被增压介质缸体，所述被增压介质缸体包括不锈钢缸体和惰性金属内衬，所述惰性金属内衬设置于不锈钢缸体内。

4.根据权利要求1所述的用于生长Ⅲ族氮化物材料的设备，其特征在于：所述驱动设备包括空气压缩机（42）。

5.根据权利要求1所述的用于生长Ⅲ族氮化物材料的设备，其特征在于：所述的设备还包括吹扫气路组件（8），所述吹扫气路组件（8）与第一氨输送管路（6）连接。

6.根据权利要求1所述的用于生长Ⅲ族氮化物材料的设备，其特征在于：所述的设备还包括抽真空组件（9），所述抽真空组件（9）包括抽真空管路（91），所述抽真空管路（91）用于将真空泵（92）与反应容器（5）的氨注入口连接。

7.根据权利要求6所述的用于生长Ⅲ族氮化物材料的设备，其特征在于：所述抽真空管路（91）上还设有第二单向阀（102）。

8.根据权利要求6所述的用于生长Ⅲ族氮化物材料的设备，其特征在于：所述第一氨输送管路（6）及抽真空管路（91）经一连接管路与反应容器（5）的氨注入口连接，所述连接管路上设有第二截止阀（72）。

9.根据权利要求1所述的用于生长Ⅲ族氮化物材料的设备，其特征在于：所述反应容器（5）包括高压釜。

10.根据权利要求1所述的用于生长Ⅲ族氮化物材料的设备，其特征在于：所述的设备还包括支撑底座（11），所述反应容器（5）设置在支撑底座（11）上。

11.根据权利要求1所述的用于生长Ⅲ族氮化物材料的设备，其特征在于：所述的设备还包括控制单元，所述控制单元与氨计量装置（3）及增压装置（4）连接。

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