[发明专利]一种氮化物单晶生长装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化物单晶生长装置及方法。

背景技术

氮化镓由于具有宽带隙、高耐压、高热导等优良性能，在激光器(LD)、发光二极管(LED)、高电子迁移率晶体管(HEMT)等领域具有广阔的应用前景。

目前，大部分氮化镓器件的生长衬底是蓝宝石、SiC等异质衬底，由于异质衬底存在热导率及晶格的不匹配问题，使氮化镓存在较大的位错密度，影响氮化镓器件的性能。使用同质衬底是解决这一问题的理想方案。

目前，氮化镓衬底的商业化生产方法为氢化物气相外延(HVPE)，虽然具有较大的生长速率，但晶体质量需要进一步提高。为了提高晶体质量，近年来提出了其他氮化镓单晶生长方法。相比其他方法，钠助熔剂法(Na Flux)的生长条件相对温和且晶体质量较高，具有较大的应用前景。如何进一步提高钠助熔剂法氮化镓单晶的晶体质量和生长速率，是目前急需解决的重要问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够提高氮化镓单晶晶体质量及生长速率的装置。

本发明采取以下技术方案：

一种氮化物单晶生长装置，包括反应釜，反应釜内填充反应物溶液，反应釜内设置有晶种支撑装置，晶种支撑装置完全浸没于反应物溶液中。其特征在于，所述反应釜内设有特殊结构体的晶种支撑装置。

所述晶种支撑装置为多孔的空心壳体结构，表面通孔与空心壳体内部连通。

所述晶种支撑装置侧面设有挡片，挡片具有统一形状、大小，挡片与侧面通孔连接，挡片与侧面间的倾斜角度为10～80度，挡片向通孔方向倾斜。

所述晶种支撑装置与连动装置连接，连动装置转动带动晶种支撑装置转动，转动方向与挡片倾斜方向相同。

所述连动装置在竖直方向可伸缩，带动晶种支撑装置在竖直方向上下移动。

晶种模板放置于所述晶种支撑装置内部，与通孔相距1～10mm。

所述晶种模板，固定放置于所述晶种支撑装置内部，晶种模板与通孔相距1～10mm，晶种模版跟随晶种支撑装置同步转动；所述晶种模板，或固定于反应釜内壁，晶种模板与通孔相距1～10mm，晶种模板不跟随晶种支撑装置转动。

所述晶种模板竖直放置、水平放置或以任何倾角倾斜放置。

所述晶种支撑装置，其形状为圆柱形、方柱形、椭圆柱形及其他任何具有空心壳体结构的几何形体。

一种氮化物单晶的生长方法，包括以下步骤：

S1，将晶种模板固定放置在晶种支撑装置内部，或固定于反应釜内壁，晶种模板以水平放置或竖直放置或以一定倾斜角度(0～90度)放置，距离通孔位置1～10mm；

S2，升起晶种支撑装置，往反应釜内放置反应物溶液，保证晶种支撑装置位于反应物溶液上方，不接触反应物溶液；

S3，密封反应釜，往反应釜内通入氮气，并对反应釜进行加热，使反应釜的压力达到1～50MPa，温度达到700～1000℃；

S4，当温度压力达到生长条件时，控制连动装置使晶种支撑装置下降至气液界面以下，完全浸没于反应物溶液中，并启动连动装置转动，带动晶种支撑装置转动，使反应釜内的生长溶液流动，流动途径经过晶种模板表面；

S5、晶体生长达到目标厚度后，拉升晶种支撑装置于气液界面上方，对反应釜进行降压降温，然后取出晶体，生长反应结束。

本发明具有以下有益效果：

1.溶液从侧门通孔流入支撑装置，流经晶种模板，从上下底面通孔流出，具有溶液循环流动的效果，有效促进反应物溶解以及气液界面高浓度N的循环参与反应，降低气液界面多晶层。

2.溶液的循环流动由通孔流入，晶种模板放置于通孔附件，反应原材料直接达到晶种模板表面，反应更加充分，有效提高了晶体质量及生长速度。

3.晶种支撑装置可携带多片晶种模板，多片式晶体生长可有效降低生长成本，且晶种支撑装置便于取下氮化镓单晶。

4.在达到反应条件前，保持晶种支撑装置处于液面之上；晶体生长达到所需厚度要求后，上移晶种支撑装置，有效避免反应的副产物产生，进一步提高晶体质量。

附图说明

附图1为本发明实施例一结构示意图(晶种支撑装置为简图，见图2)；

附图2为本发明实施例一的晶种支撑装置结构示意图；

附图3为本发明实施例一的晶种模板的位置示意图；

附图4为本发明实施例一的溶液流动的状态示意图；

附图5为本发明实施例二的晶种支撑装置结构示意图；

附图6为本发明实施例二的晶种模板的位置示意图；