一種制備氮化物單晶體材料的工業化裝置及方法
【專利摘要】本發明公開一種制備氮化物單晶體材料的工業化裝置及方法，其核心包括一套提供氮氣源的裝置。本發明通過一種加壓裝置調節N2終端口處氣液界面兩邊的壓強差，來控制N2進入Ga-Na溶液的流量及時間。采用該設計可以克服傳統裝置N2源供給不足的局限，具有N2源總量可調、N2源輸入位置可選、N2源供給時間可控等優點，充分滿足目標GaN晶體生長所需的N2源，為增加目標GaN晶體生長速率、多片式GaN晶體同時生長提供了有利條件，大大降低了制備成本。
【專利說明】一種制備氮化物單晶體材料的工業化裝置及方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體光電材料領域，特別涉及一種制備高質量氮化物單晶體材料的工業化裝置及方法。

【背景技術】
[0002]GaN作為第三代半導體材料的主要代表，由于其寬帶隙、高耐壓、高熱導等優異性能，已引起業界的廣泛關注。在眾多制備GaN單晶體材料的方法中，鈉流法(The Na FluxMethod)所需的制備條件適中(700— 1000°C，5MPa)，制備的單晶體材料具有較低的位錯密度(~14 cm_2)與較大的晶體尺寸(4英寸)，從而成為生長GaN單晶體材料最有前景的制備技術。鈉流法中晶體生長的質量與生長速率直接與Ga-Na溶液中N的濃度及均勻性相關。傳統反應裝置的N2源供給通道單一，一般從反應室上部的Ga-Na溶液與氮氣的氣液界面處進入，導致氣液界面處的Ga-Na溶液中N2源濃度大(相較于反應室的中、下部)，容易自發形核產生GaN多晶，阻礙N2源的供給，導致晶體生長緩慢，目前GaN單晶體材料的最大生長速率僅為30 μ m/h。因此，如何更進一步的提高Ga-Na溶液中N2的溶解濃度及均勻性，為GaN晶體生長提供充足穩定的N源，是鈉流法制備高質量GaN單晶體材料必須解決的關鍵問題。


【發明內容】

[0003]為了克服傳統裝置N源供給量不足及在Ga-Na溶液中N2的溶解均勻性不可控的局限，本發明設計了一種控制靈活的N2供應裝置，具有N2源總量可調、供給位置可選以及供給時間可控等優點，充分滿足目標GaN晶體生長所需的N源條件。本發明設計的N2供應裝置通過加壓裝置調節N2終端輸入口處氣液界面兩邊的壓強差，以控制N2進入Ga-Na溶液的流量及時間；根據不同高度的N2輸入端口設置不同的壓力控制值，可實現不同空間位置的N2源供給平衡，提高晶體生長速率與晶體質量一致性。本發明的N2供應裝置通過加壓裝置將反應室上部的N2源輸送到反應室中、下部的N溶解度較低區域,而未被Ga-Na溶液溶解束縛的N2又會自發從中逸出，返回到反應室上部N2區域，再次被輸運到反應室的其他區域。N2循環利用的設計既充分保證了 N源的純度，又充分利用了 N源。
[0004]具體技術方案如下:
一種制備氮化物單晶體材料的工業化裝置，包括反應釜體、N2輸入通道、N2輸入通道閥門、坩堝和N2供應裝置，所述N2通過N2輸入通道和N2輸入通道閥門通入所述反應釜體內的反應室N2區域，所述反應室N2區域通過所述N2供應裝置與所述坩堝內的反應室Ga-Na溶液區域連通；所述N2供應裝置包括N2循環通道、N2循環通道閥門、N2循環通道高位分閥門、N2循環通道低位分閥門、高位加壓裝置、低位加壓裝置、高位供N2終端口和低位供N2終端口 ；所述N2循環通道的一端與所述反應室N2區域連通，所述N2循環通道的另一端通過所述高位供N2終端口、低位供N終端口與所述反應室Ga-Na溶液區域連通；所述N2循環通道高位分閥門、高位加壓裝置控制所述高位供N2終端口的流通，所述N2循環通道低位分閥門、低位加壓裝置控制所述低位供N2終端口的流通。
[0005]上述技術方案中，所述N2供應裝置為內置式N2供應裝置或者外置式N2供應裝置。
[0006]上述技術方案中，所述坩堝內設置有晶種模版，所述晶種模版的位置呈高低分布，所述晶種模版水平設置或者垂直設置；所述晶種模版的數量為一個或者多個。
[0007]上述技術方案中，所述高位供N2終端口(81)和低位供N2終端口(82)設置于所述坩堝(9)的底部或側壁。
[0008]上述技術方案中，所述高位加壓裝置、低位加壓裝置、N2循環通道的材質為具有抗氧化、耐應力和耐高溫的材料。
[0009]上述技術方案中，所述N2循環通道閥門、N2循環通道高位分閥門、N2循環通道低位分閥門、高位供N2終端口與低位供N2終端口的材質為具有抗氧化、耐高溫和抗硫化的材料。
[0010]一種制備氮化物單晶體材料的方法，包括以下步驟:
A、反應釜體內分為反應室N2區域和反應室Ga-Na溶液區域，將若干晶種模版放置在坩堝內部的所述反應室Ga-Na溶液區域中，并加熱反應釜體；
B、打開N2輸入通道閥門，N2通過N2輸入通道進入到所述反應室N2區域；
C、打開N2循環通道閥門、N2循環通道高位分閥門和N2循環通道低位分閥門，打開高位加壓裝置設置高位供N2終端口附近氣液界面兩邊的壓差，同時，打開低位加壓裝置設置低位供N2終端口附近氣液界面兩邊的壓差；
D、根據不同晶種模版的目標晶體厚度，確定高位供N2終端口和低位供N2終端口的停止供N2的先后順序；
F、達到晶種目標厚度后，降溫排除廢液并取出晶體。
[0011 ] 上述技術方案中，所述高位供N2終端口和低位供N2終端口附近氣液界面兩邊的壓差范圍為I—lOOOPa。
[0012]上述技術方案中，所述N2循環通道中N2輸入流量視高位供N2終端口和低位供N2終端口附近氣液界面兩邊的壓差而定，各區域N2輸入起始時間根據N在反應室Ga-Na溶液區域中的溶解擴散特征而改變，輸入時間根據晶體生長的目標厚度與晶體生長速度而定。
[0013]本發明的有益效果是:采用本發明的N2供應裝置可以明顯提高反應室中、下部N溶解度較低區域的N濃度，增加了 GaN晶體生長速率、為多片式GaN晶體同時均勻生長提供了條件，大大降低了制備成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發明實施例中采用的一種配備內置式N2供應裝置(N2輸入終端口垂直方向多點化)的氮化物單晶體材料工業化裝置；
圖2是本發明實施例中采用的一種配備外置式N2供應裝置(N2輸入終端口垂直方向多點化)的氮化物單晶體材料工業化裝置。
[0015]附圖標記說明:
1、反應釜體；2、反應室N2區域；3、反應室Ga-Na溶液區域；4、晶種模版；51、N2輸入通道；52、N2循環通道；61、N2輸入通道閥門；62、N2循環通道閥門；63、N2循環通道高位分閥門；64、N2循環通道低位分閥門；71、高位加壓裝置；72、低位加壓裝置；81、高位供N2終端口 ；82、低位供N2終端口 ；9、坩堝。

【具體實施方式】
[0016]以下結合附圖以及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用于解釋本發明，并不限定本發明。
[0017]一種制備氮化物單晶體材料的工業化裝置，包括反應釜體UN2輸入通道51、N2輸入通道閥門61、坩堝9和N2供應裝置，所述N2通過N2輸入通道51和N2輸入通道閥門61通入所述反應釜體I內的反應室N2區域2，所述反應室N2區域2通過所述N2供應裝置與所述坩堝9內的反應室Ga-Na溶液區域3連通；所述N2供應裝置包括N2循環通道52、N2循環通道閥門62、N2循環通道高位分閥門63、N2循環通道低位分閥門64、高位加壓裝置71、低位加壓裝置72、高位供N2終端口 81和低位供N2終端口 82 ;所述N2循環通道52的一端與所述反應室N2區域2連通，所述N2循環通道52的另一端通過所述高位供N2終端口 81、低位供N終端口 82與所述反應室Ga-Na溶液區域3連通；所述N2循環通道高位分閥門63、高位加壓裝置71控制所述高位供N2終端口 81的流通，所述N2循環通道低位分閥門64、低位加壓裝置72控制所述低位供N2終端口 82的流通。
[0018]其中，所述N2供應裝置為內置式N2供應裝置或者外置式N2供應裝置。優選的，不限于供給N2。
[0019]其中，所述坩堝9內設置有晶種模版4，所述晶種模版4的位置呈高低分布，所述晶種模版4水平設置或者垂直設置；所述晶種模版4的數量為一個或者多個。
[0020]其中，所述高位供N2終端口 81和低位供N2終端口 82可以設置于坩堝9的底部，也可以是坩堝側壁等其它位置，數量可以是一個，也可以是多個。
[0021]其中，所述高位加壓裝置71、低位加壓裝置72、N2循環通道52的材質為不銹鋼材料。優選的，只要選用的材質具有抗氧化、耐應力、耐高溫的優良性能即可，不限于不銹鋼材料。
[0022]其中，所述N2循環通道閥門62、N2循環通道高位分閥門63、N2循環通道低位分閥門64、高位供N2終端口 81與低位供N2終端口 82的材質為英康乃爾合金。優選的，只要選用的材質具有抗氧化、耐高溫和抗硫化的優良性能，不限于英康乃爾合金。
[0023]一種制備氮化物單晶體材料的方法，包括以下步驟:
A、反應釜體I內分為反應室N2區域2和反應室Ga-Na溶液區域3，將若干晶種模版4放置在坩堝9內部的所述反應室Ga-Na溶液區域3中，并加熱反應釜體I ;
B、打開N2輸入通道閥門61，N2通過N2輸入通道51進入到所述反應室N2區域2;
C、打開N2循環通道閥門62、N2循環通道高位分閥門63和N2循環通道低位分閥門64，打開高位加壓裝置71設置高位供N2終端口 81附近氣液界面兩邊的壓差，同時，打開低位加壓裝置72設置低位供N2終端口 82附近氣液界面兩邊的壓差；
D、根據不同晶種模版4的目標晶體厚度，確定高位供N2終端口81和低位供N2終端口82的停止供N2的先后順序；
F、達到晶種目標厚度后，降溫排除廢液并取出晶體。
[0024]其中，所述高位供N2終端口 81和低位供N2終端口 82附近氣液界面兩邊的壓差范圍為I一lOOOPa。優選的，其最佳壓差范圍為5-500Pa。
[0025]其中，所述N2循環通道52中N2輸入流量視高位供N2終端口 81和低位供N2終端口 82附近氣液界面兩邊的壓差而定，各區域N2輸入起始時間根據N在反應室Ga-Na溶液區域3中的溶解擴散特征而改變，輸入時間根據晶體生長的目標厚度與晶體生長速度而定。
[0026]實施例一:
一種配備內置式N2供應裝置(N2輸入終端口垂直方向多點化)的氮化物單晶體材料工業化裝置，包括新型內置式N2供應裝置和傳統氮化物單晶體材料工業化裝置。如圖1所示，內置式N2供應裝置包括高位加壓裝置71、低位加壓裝置72、N2循環通道閥門62、N2循環通道高位分閥門63、N2循環通道低位分閥門64、N2循環通道52、高位供N2終端口 81和低位供N2終端口 82 ;傳統氮化物單晶體材料工業化裝置包括反應釜體1、坩堝9、N2輸入通道51和N2通道閥門61。把四片氮化鎵襯底作為晶種模版4水平/垂直放置在坩堝9的內部，垂直放置的晶種目標厚度為1_，水平放置的晶種目標厚度為2_ ;加熱反應爸體1，打開外N2通道閥門61，N2通過N2輸入通道51進入到反應室N2區域2，微量的N開始從反應室N2區域2與反應室Ga-Na溶液區域3的界面處溶解進入反應室Ga-Na溶液區域3 ;打開N2循環通道閥門62，設置與高位供N2終端口 81的壓差為10 Pa，打開N2循環通道高位分閥門63，開啟高位加壓裝置71，同時，設置與低位供N2終端口 82的壓差為50 Pa，打開N2循環通道低位分閥門64，開啟低位加壓裝置72，使得反應室N2區域2中的N2通過N2循環通道52分別輸送到高位供N2終端口 81和低位供N2終端口 82，再溶解擴散在附近溶液中；此時，來自多方面的N源——反應室N2區域2與反應室Ga-Na溶液區域3的界面處溶解的N、高位供N2終端口 81處溶解的N和低位供N2終端口 82處溶解的N，為晶種模版4的氮化鎵形核生長提供了充足的N源條件。根據晶種的目標厚度，先關閉高位加壓裝置71與N2循環通道高位分閥門63，停止高位供N2終端口 81處N2的供給，當水平晶種的目標厚度達到后，關閉N2輸入通道閥門61、低位加壓裝置72與N2循環通道低位分閥門64，降溫排除廢液取出晶體。這種設計有選擇地提高了目標溶液區域中N的溶解濃度及其均勻性，提高了晶體生長質量與生長速度；設置多個供隊終端口及創新性引入的隊輸入終端口空間多點化的獨立控制設計，可保證一爐多片晶體生長的質量均一性，實現工業化生產。
[0027]實施例二:
一種配備外置式N2供應裝置(N2輸入終端口垂直方向多點化)的氮化物單晶體材料工業化裝置，包括新型外置式N2供應裝置和傳統氮化物單晶體材料工業化裝置。如圖2所示，該外置式N2供應裝置包括高位加壓裝置71、低位加壓裝置72、N2循環通道閥門62、N2循環通道高位分閥門63、N2循環通道低位分閥門64、N2循環通道52、高位供N2終端口 81和低位供N2終端口 82 ;傳統氮化物單晶體材料工業化裝置包括反應釜體1、坩堝9、N2輸入通道51和N2通道閥門61。把四片氮化鎵襯底作為晶種模版4水平/垂直放置在坩堝9的內部，垂直放置的晶種目標厚度為1_，水平放置的晶種目標厚度為2_ ;加熱反應爸體1，打開外N2通道閥門61，N2通過N2輸入通道51進入到反應室N2區域2，微量的N開始從反應室N2區域2與反應室Ga-Na溶液區域3的界面處溶解進入反應室Ga-Na溶液區域3 ;打開N2循環通道閥門62，設置與高位供N2終端口 81的壓差為10 Pa，打開N2循環通道高位分閥門63，開啟高位加壓裝置71，同時，設置與低位供N2終端口 82的壓差為50 Pa，打開N2循環通道低位分閥門64，開啟低位加壓裝置72，使得反應室N2區域2中的N2通過N2循環通道52分別輸送到高位供N2終端口 81和低位供N2終端口 82，再溶解擴散在附近溶液中；此時，來自多方面的N源——反應室N2區域2與反應室Ga-Na溶液區域3的界面處溶解的N、高位供N2終端口 81處溶解的N和低位供N2終端口 82處溶解的N，為晶種模版4的氮化鎵形核生長提供了充足的N源條件。根據晶種的目標厚度，先關閉高位加壓裝置71與N2循環通道高位分閥門63，停止高位供N2終端口 81處N2的供給，當水平晶種的目標厚度達到后，關閉N2輸入通道閥門61、低位加壓裝置72與N2循環通道低位分閥門64，降溫排除廢液取出晶體。這種設計有選擇地提高了目標溶液區域中N的溶解濃度及其均勻性，提高了晶體生長質量與生長速度；創新性引入的N2輸入終端口空間多點化的獨立控制設計，可實現一爐多片晶體生長的質量均一性。同時，外置式的N2供應裝置設計不僅實現了實施例一中的優點，還有效避免了溶液對輸運管道的腐蝕與交叉污染，更有利于高質量的GaN單晶生長。
[0028]本發明通過一種加壓裝置調節N2終端口處氣液界面兩邊的壓強差，來控制N2進入Ga-Na溶液的流量及時間。采用該設計可以克服傳統裝置N2源供給不足的局限，具有N2源總量可調、N2源輸入位置可選、N2 源供給時間可控等優點，充分滿足目標GaN晶體生長所需的N2源，為增加目標GaN晶體生長速率、多片式GaN晶體同時生長提供了有利條件，大大降低了制備成本。
[0029]以上的實施例只是在于說明而不是限制本發明，故凡依本發明專利申請范圍所述的方法所做的等效變化或修飾，均包括于本發明專利申請范圍內。
【權利要求】
1.一種制備氮化物單晶體材料的工業化裝置，其特征在于:包括反應釜體(1)、N2輸入通道(51)、N2輸入通道閥門(61)、坩堝(9)和N2供應裝置，所述N2通過N2輸入通道(51)和N2輸入通道閥門(61)通入所述反應釜體(1)內的反應室N2區域(2)，所述反應室N2區域(2)通過所述N2供應裝置與所述坩堝(9)內的反應室Ga-Na溶液區域(3)連通；所述N2供應裝置包括N2循環通道(52)、N2循環通道閥門(62)、N2循環通道高位分閥門(63)、N2循環通道低位分閥門(64)、高位加壓裝置(71)、低位加壓裝置(72)、高位供N2終端口(81)和低位供N2終端口(82);所述N2循環通道(52)的一端與所述反應室N2區域(2)連通，所述N2循環通道(52)的另一端通過所述高位供N2終端口(81)、低位供N終端口(82)與所述反應室Ga-Na溶液區域(3)連通；所述N2循環通道高位分閥門(63)、高位加壓裝置(71)控制所述高位供N2終端口(81)的流通，所述N2循環通道低位分閥門(64)、低位加壓裝置(72)控制所述低位供N2終端口(82)的流通。
2.根據權利要求1所述的一種制備氮化物單晶體材料的工業化裝置，其特征在于:所述N2供應裝置為內置式N2供應裝置或者外置式N2供應裝置。
3.根據權利要求1所述的一種制備氮化物單晶體材料的工業化裝置，其特征在于:所述坩堝(9)內設置有晶種模版(4)，所述晶種模版(4)的位置呈高低分布，所述晶種模版(4)水平設置或者垂直設置；所述晶種模版(4)的數量為一個或者多個。
4.根據權利要求1所述的一種制備氮化物單晶體材料的工業化裝置，其特征在于:所述高位供N2終端口(81)和低位供N2終端口(82)設置于所述坩堝(9)的底部或側壁。
5.根據權利要求1所述的一種制備氮化物單晶體材料的工業化裝置，其特征在于:所述高位加壓裝置(71)、低位加壓裝置(72)、N2循環通道(52)的材質為具有抗氧化、耐應力和耐高溫的材料。
6.根據權利要求1所述的一種制備氮化物單晶體材料的工業化裝置，其特征在于:所述N2循環通道閥門(62)、N2循環通道高位分閥門(63)、N2循環通道低位分閥門(64)、高位供N2終端口(81)與低位供N2終端口(82)的材質為具有抗氧化、耐高溫和抗硫化的材料。
7.根據權利要求1至6任一所述的一種制備氮化物單晶體材料的方法，其特征在于，包括以下步驟: A、反應釜體(1)內分為反應室N2區域(2)和反應室Ga-Na溶液區域(3)，將若干晶種模版(4)放置在坩堝(9 )內部的所述反應室Ga-Na溶液區域(3 )中，并加熱反應釜體(1); B、打開N2輸入通道閥門(61)，N2通過N2輸入通道(51)進入到所述反應室N2區域(2); C、打開N2循環通道閥門(62)、N2循環通道高位分閥門(63)和N2循環通道低位分閥門( 64)，打開高位加壓裝置(71)設置高位供N2終端口(81)附近氣液界面兩邊的壓差，同時，打開低位加壓裝置(72)設置低位供N2終端口(82)附近氣液界面兩邊的壓差； D、根據不同晶種模版(4)的目標晶體厚度，確定高位供N2終端口(81)和低位供N2終端口(82)的停止供N2的先后順序； F、達到晶種目標厚度后，降溫排除廢液并取出晶體。
8.根據權利要求7所述的一種制備氮化物單晶體材料的方法，其特征在于:所述高位供N2終端口(81)和低位供N2終端口(82)附近氣液界面兩邊的壓差范圍為I一lOOOPa。
9.根據權利要求7所述的一種制備氮化物單晶體材料的方法，其特征在于:所述N2循環通道(52)中N2輸入流量視高位供N2終端口(81)和低位供N2終端口(82)附近氣液界面兩邊 的壓差而定，各區域N2輸入起始時間根據N在反應室Ga-Na溶液區域(3)中的溶解擴散特征而改變，輸入時間根據晶體生長的目標厚度與晶體生長速度而定。
【文檔編號】C30B19/06GK104131351SQ201410363568
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月29日 優先權日:2014年7月29日
【發明者】劉南柳, 陳蛟, 鄭小平, 張國義 申請人:北京大學東莞光電研究院