[发明专利]一种多片式氮化物单晶体材料生长装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料领域，特别涉及一种关于通过液体搅拌提高溶液溶解速度及溶解浓度均匀性的液相外延的多片式氮化物单晶体材料生长装置及方法。

背景技术

作为第三代宽禁带半导体材料，GaN具有的宽带系、高热导率等良好性能，在高温、高频、高功率电子器件方面有着巨大的应用潜力。而作为其单晶体材料生长方法之一的钠流法（Na Flux），由于其生长条件适中（700~1000 ℃，4~5 MPa），晶体位错密度较小（~10⁴ cm^-2），是目前制备GaN单晶体材料的最佳途径。目前，Na Flux生长GaN材料已取得了一定的进展，得到了直径大于2英寸、厚度大于2 cm的GaN单晶体材料。但是，Na Flux法生长GaN单晶体材料的速度较低（~20 μm/h），降低其制备成本的关键之一是实现同一炉多片生长。影响多片生长的晶体片内及片间厚度与晶体质量均匀性的关键是Ga-Na溶液中N的溶解速度及其分布均匀性。加入C、Ca和Li等微量元素，能提高N的溶解度，有效抑制气液界面处GaN多晶的形成，但是很容易出现从液面至液体内部的N溶解浓度梯度。搅拌是通过外力驱动溶液循环运动提高溶液均匀性的最直接的方式。传统的搅拌装置，如螺旋式、涡轮式、浆式等，都是通过叶片式旋转驱动液体的循环流动，对溶液扰动大，同时存在气液界面处气泡卷入、叶片与溶液间的刮蹭摩擦致使杂质引入到溶液中等问题。通过温度梯度驱动溶液的热对流，驱使溶液从下至上的循环运动的方法，能有效提高溶液中N的溶解均匀性，但是，不同温场下晶体的生长速度与质量都不同，很难实现同一炉多片晶体的同一性生长。而通过旋转反应釜或二维摇摆反应釜设备，对整个反应体系扰动较大，干扰液相外延所需要的近平衡条件而影响晶体的生长。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种多片式氮化物单晶体材料生长的装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种多片式氮化物单晶体材料生长装置，为单腔室多片式氮化物单晶体材料生长装置，包括单腔室反应室和搅拌装置，所述搅拌装置置于该单腔室反应室中，所述单腔室反应室中还包括原材料生长溶液、从液面通入到单腔室反应室中的氮气和用于氮化物单晶体材料生长的衬底。

上述技术方案中，所述衬底是蓝宝石衬底、碳化硅衬底或者硅衬底，或是衬底上沉积氮化物薄膜的复合衬底，或是氮化物自支撑衬底；所述衬底可以是水平放置或者是垂直放置；所述衬底至少设有一片。

上述技术方案中，所述搅拌装置包括搅拌器、转轴与电机，所述转轴的两端分别与搅拌器和电机相连；所述搅拌器包括侧面通孔、实心区和下底面通孔，所述侧面通孔至少有三个，可以是一圈排列，也可以是多圈排列；所述侧面通孔与下底面通孔连通，下底面通孔至少有一个。

一种多片式氮化物单晶体材料生长装置，为多腔室多片式氮化物单晶体材料生长装置，包括预生长反应室和晶体生长室以及所述搅拌装置，所述搅拌装置设于该预生长反应室中，原材料溶液置于所述预生长反应室中，氮气通过管道输运到所述预生长反应室中，衬底置于所述晶体生长反应室内，氮气通过管道输运到所述预生长反应室中，所述原材料溶液通过阀门与管道注入到所述晶体生长反应室内并形成晶体生长所需要的生长溶液，而所述晶体生长反应室内的生长溶液通过阀门与管道回流到所述预生长反应室，通过驱动液体流动的动力装置调控溶液的循环。

上述技术方案中，所述多腔室多片式氮化物单晶体材料生长装置至少包括一个预生长反应室与一个晶体生长反应室，所述预生长反应室与晶体生长反应室之间至少两条连接通道，且其中一条通道配备驱动液体流动的所述动力装置。

上述技术方案中，所述衬底是蓝宝石衬底、碳化硅衬底或者硅衬底，或是衬底上沉积氮化物薄膜的复合衬底，或是氮化物自支撑衬底；所述衬底是水平放置或者是垂直放置；所述衬底至少设有一片。

上述技术方案中，所述搅拌装置包括搅拌器、转轴与电机，所述转轴的两端分别与搅拌器和电机相连；所述搅拌器包括侧面通孔、实心区和下底面通孔；所述侧面通孔至少有三个，或是一圈排列，或是多圈排列；所述侧面通孔与下底面通孔连通，下底面通孔至少有一个。

一种利用单腔室多片式氮化物单晶体材料生长装置的多片式氮化物单晶体材料生长方法，包括以下步骤：

A．设置一个搅拌装置，搅拌装置中的搅拌器浸没在原材料生长溶液中，衬底置于单腔室反应室的底部或四周，氮气通入到单腔室反应室中在原材料生长溶液的表面解离吸附溶解而形成含N溶液；