促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置

1.本实用新型涉及一种半导体晶体生长设备，特别涉及一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，属于半导体生长设备技术领域。


背景技术：

2.氮化镓作为第三代半导体核心材料之一，具有禁带宽度大，饱和电子迁移率高，击穿场强高，热导率高，介电常数小，抗辐射性能强，化学稳定性好等优良特性。氮化镓在光学器件和大功率电子器件上都有广泛的应用，如发光二极管(led)、激光二极管(ld)和大功率晶体管。目前，生产氮化镓的方法主要有四种，高压熔液法，氢化物气相外延法，氨热法，助熔剂法。但是，高压熔液法，氢化物气相外延法，氨热法和助熔剂法。而助熔剂法作为一种近热力学平衡态下的生长方法，具有诸多优势，是目前公认的获得低成本、高质量、大尺寸氮化镓体单晶的生长方法之一。
3.通常，助熔剂法氮化镓体单晶的一般生长过程为：选取适当原料(主要为金属镓、金属钠、碳添加剂等)成分配比，将装有生长原料和氮化镓籽晶的坩埚置于生长炉中，在一定生长温度、一定生长压力的氮气氛围，通过控制不同的生长时间，在氮化镓籽晶上液相外延获得一定厚度的氮化镓体单晶。然而，由于助熔剂法生长处于封闭的系统，生长原料的化学组分(主要为金属镓、金属钠、碳添加剂等)随生长过程不断变化，且逐渐偏离原先的配比，仍没有有效的解决，利用机械搅拌生长原料/旋转生长坩埚的生长方法进行液相外延，不可避免地对生长体系产生了扰动，氮化镓的结晶条件容易受到干扰，导致生长的氮化镓单晶存在位错、生长条纹等缺陷。另外，由于氮化镓生长的温度场分布不均，生长的氮化镓质量不均一，严重影响着助熔剂氮化镓的产业化。


技术实现要素：

4.本实用新型的主要目的在于提供一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，以克服现有技术中的不足。
5.为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：
6.本实用新型实施例提供了一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，包括：
7.生长腔室、设置于生长腔室内的反应容器和原料补充容器；所述反应容器用于承载晶体生长所需的籽晶和/或衬底以及容置晶体生长所需的生长原料，所述原料补充容器用于容置晶体生长所需的生长原料；以及
8.升降机构，所述升降机构与所述反应容器和/或原料补充容器传动连接，并至少用于驱使所述反应容器和/或原料补充容器沿预定方向运动，且所述反应容器和原料补充容器中的一者位于另一者的运动轨迹上，所述反应容器能够相对运动至所述原料补充容器内并与所述原料补充容器相连通。
9.与现有技术相比，本实用新型的优点包括：
10.1)本实用新型实施例提供的一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，可以持续向反应容器中补充相同组分配比的生长原料，保持反应容器中的生长原料化学组分恒定，提高了单晶生长质量的片内均匀性；
11.2)本实用新型实施例提供的一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，可以显著提升生长原料的温度均匀性及原料流动性，避免了生长腔室内部的生长条件扰动，进一步提升了氮化镓的结晶质量；
12.3)本实用新型实施例提供的一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，能够有效实现生长腔室内的热场均匀化，进一步提高了氮化镓单晶的质量均一性；
13.4)本实用新型实施例提供的一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，结构简单，使用、操作和维护简便，且制备和改装的成本低廉，便于推广和应用。
附图说明
14.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1是本实用新型一典型实施案例中提供的一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置的结构示意图；
16.图2是本实用新型一典型实施案例中提供的一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置的结构示意图。
具体实施方式
17.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
18.本实用新型实施例提供的一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，采用体积远大于反应容器的原料补充容器向所述反应容器内补充相同组分配比的生长原料，避免了在封闭的生长腔室中，随晶体生长反应的进行，生长原料被不断消耗而导致化学组分配比偏离预定的最佳状态的问题，从而保持反应容器中的生长原料化学组分恒定，实现单晶生长质量的片内均匀性。
19.另外，本实用新型实施例提供的一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，还使原料补充容器和/或加热机构以一定的转速旋转，从而能够有效实现熔融生长原料的温度均匀化，避免了采用机械搅拌生长原料/旋转反应容器的生长方法导致生长条件的扰动，进而可以获得质量均一性的氮化镓单晶。
20.本实用新型实施例提供了一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，包括：
21.生长腔室、设置于生长腔室内的反应容器和原料补充容器；所述反应容器用于承载晶体生长所需的籽晶和/或衬底以及容置晶体生长所需的生长原料，所述原料补充容器用于容置晶体生长所需的生长原料；以及
22.升降机构，所述升降机构与所述反应容器和/或原料补充容器传动连接，并至少用
于驱使所述反应容器和/或原料补充容器沿预定方向运动，且所述反应容器和原料补充容器中的一者位于另一者的运动轨迹上，所述反应容器能够相对运动至所述原料补充容器内并与所述原料补充容器相连通。
23.在一具体实施方式中，所述反应容器固定在所述生长腔室内，所述原料补充容器与所述升降机构传动连接。
24.在一具体实施方式中，所述反应容器沿预定方向设置在所述原料补充容器的上方，其中，所述预定方向为重力方向。
25.在一具体实施方式中，所述反应容器与原料补充容器同轴设置。
26.在一具体实施方式中，所述反应容器在预定方向上的正投影面积小于所述原料补充容器入口的正投影面积，且所述反应容器的体积小于所述原料补充容器的体积。
27.在一具体实施方式中，所述原料补充容器还与第一旋转驱动机构传动连接，所述原料补充容器能够在所述第一旋转驱动机构的驱使下自旋转。
28.在一具体实施方式中，所述生长腔室内还设置有加热机构，所述加热机构至少用于对所述生长腔室进行加热，以使所述生长腔室内的温度保持在预定温度。
29.在一具体实施方式中，所述加热机构还与第二旋转驱动机构传动连接，所述加热机构能够在所述第二旋转驱动机构的驱使下围绕所述反应容器和/或原料补充容器转动。
30.在一具体实施方式中，所述生长腔室设置在生长设备内，所述加热机构固定设置在所述生长腔室内，所述生长设备与所述第二旋转驱动机构传动连接，且能够在所述第二旋转驱动机构的驱使下自旋转。
31.在一具体实施方式中，所述加热机构包括多个加热电阻丝。
32.如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本实用新型实施例中所包含的各组成部分或机构均可以通过市购获得，应理解的，本实用新型的实施例主要介绍和解释本实用新型提供的一种半导体晶体生长装置的结构，在此不对其所包含的各组成部分的材质、尺寸等进行限定。
33.实施例1
34.请参阅图1，一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，包括生长设备10、反应容器30、原料补充容器20和升降机构50，所述生长设备10内具有用于提供以助熔剂法进行半导体单晶生长所需密闭环境的生长腔室11，所述反应容器30、原料补充容器20设置在所述生长腔室11内；
35.所述反应容器30用于承载晶体生长所需的籽晶和/或衬底40以及容置晶体生长所需的生长原料70，所述原料补充容器20用于容置晶体生长所需的生长原料70，所述反应容器30沿重力方向设置在所述原料补充容器20的上方，且所述原料补充容器20的体积远大于所述反应容器 30的体积，所述原料补充容器20和反应容器30中的至少一者与所述升降机构50传动连接，并能够在所述升降机构50的驱使下沿预定方向上下运动，所述反应容器30和原料补充容器20 中的一者位于另一者的运动轨迹上，所述反应容器30能够相对运动至所述原料补充容器20内并与所述原料补充容器相连通，从而使所述原料补充容器20内的生长原料进入所述反应容器 30内。
36.在本实施例中，所述反应容器30能够相对运动至所述原料补充容器20内并通过排液的方式使所述原料补充容器20内的生长原料进入所述反应容器30中。
37.在本实施例中，所述原料补充容器20和反应容器30一般为顶部开口的容器，因此，该预定方向优选为重力方向，为使所述反应容器30能够相对运动至所述原料补充容器20内并与所述原料补充容器相连通，所述原料补充容器20朝向所述反应容器30的开口的面积需足够大，以使所述反应容器30整体能够自所述开口处进入所述原料补充容器20内，作为限定条件，所述反应容器30在重力方向上的正投影面积小于所述原料补充容器20入口的正投影面积，且所述反应容器30的体积远小于所述原料补充容器20的体积。
38.可以理解的，为了实现反应容器30中持续的进行助熔剂法生长半导体晶体的反应，需要多次向所述反应容器30内补充生长原料，因此需使所述原料补充容器20的体积远大于所述反应容器30的体积，例如，以所述原料补充容器20和反应容器30均为圆柱形容器为例，所述原料补充容器20的底面积和高度均远大于所述反应容器30的底部面积和高度。
39.在本实施例中，所述反应容器30在所述生长腔室11内的位置也可以是相对固定的，而所述原料补充容器20与所述升降机构50传动连接，通过所述升降机构50驱使原料补充容器20 上下运动，而使所述反应容器30相对运动至所述原料补充容器20内并浸没于所述原料补充容器20内的生长原料70的液面以下，进而使所述原料补充容器20中的生长原料补充进入所述反应容器30内，之后以升降机构50驱使原料补充容器20与所述反应容器30相对分离，并继续在反应容器30中进行晶体的生长。
40.可以理解的，所述原料补充容器20和反应容器30可以分别与不同的升降机构进行传动连接，所述原料补充容器20和反应容器30可以在升降机构的驱使下相向或背向运动，也可以实现上述目的，但设置两个升降机构会增加装置的复杂性，因此，本实用新型实施例优选设置一个升降机构，并使所述升降机构50与原料补充容器20传动连接。
41.在本实施例中，所述升降机构50优选设置在所述生长腔室11的外部，所述升降机构50可以是本领域技术人员已知的直线驱动机构，例如，所述升降机构50可以是直线驱动电机或直线驱动气缸等，所述升降机构50的运动部件(例如活塞杆)可以直接与所述原料补充容器20固定连接，或者，所述升降机构50的运动部件(例如活塞杆)可以通过转接部件(例如转接托盘，以增加运动部件与原料补充容器20的接触面积)与所述原料补充容器20固定连接。
42.在本实施例中，所述原料补充容器20的上升和下降均是匀速进行的，例如，所述原料补充容器20的上升和下降的速度可以是1-100μm/h，需要说明的是，该升降的速度是可以调节的，该速度是反应容器已经位于所述原料补充容器20内的生长原料的液面附近的速度。
43.在本实施例中，所述原料补充容器20还与第一旋转驱动机构60传动连接，所述原料补充容器20能够在所述第一旋转驱动机构60的驱使下自旋转，以提高和保证所述原料补充容器20 内的熔融态生长原料的温度均匀性。
44.在本实施例中，所述第一旋转驱动机构60可以是旋转驱动电机等，优选的，所述第一旋转驱动机构60设置在所述生长腔室11的外部，所述第一旋转驱动机构60的运动部件(传动轴) 可以直接与所述原料补充容器20固定连接，或者，第一旋转驱动机构60的运动部件(例如传动轴)可以通过转接部件(例如转接托盘，以增加运动部件与原料补充容器20的接触面积)与所述原料补充容器20固定连接。
45.在本实施例中，所述第一旋转驱动机构60与升降机构50可以通过同一组传动组件
与所述原料补充容器20连接并实现对所述原料补充容器20的驱动，例如，所述第一旋转驱动机构60 与升降机构50经一联轴器与所述原料补充容器20传动连接，该联轴器可以是花键联轴器等，可以理解的，通过联轴器实现被驱动的机构独立、同时进行直线运动和旋转运动的连接结构为本领域技术人员已知的结构和方式，在此不对其具体的连接结构和方式进行具体的说明和限定。
46.在本实施例中，所述原料补充容器20的转速可以是1-100rpm。
47.在本实施例中，所述原料补充容器20和反应容器30均可以是坩埚等，其具体的尺寸和体积比等可以根据具体需求进行选择，在此不做具体的限定。
48.在本实施例中，所述生长腔室11内还设置有加热机构80，所述加热机构80至少用于对所述生长腔室11进行加热，以使所述生长腔室11内的温度保持在预定温度。
49.在本实施例中，所述加热机构80可以设置有一个或多个，关于加热机构80设置的数量具体根据所述加热机构80发热的功率以及生长腔室11内部需要被加热至的预定温度来进行设置，当加热机构80为一个时，优选采用具有与生长腔室11内壁相似的仿形结构的加热机构，例如，所述加热机构80可以是弧形或环形结构；当设置多个加热机构80时，多个所述加热机构80优选为均匀设置。
50.在本实施例中，所述加热机构80可以是电阻丝加热机构等。
51.以本实用新型实施例提供的一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置进行助熔剂法氮化镓单晶的生长过程主要包括：
52.提供如图1所示的一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，图1中的箭头指向为所述原料补充容器20的主要运动方向；
53.采用蓝宝石、sic等异质衬底或者hvpe氮化镓籽晶等同质衬底作为生长衬底并置于反应容器30内；
54.选取适当的生长原料成分配比，所述生长原料主要为金属镓、金属钠、碳添加剂等，生长原料中的na/ga的值为2：1-10：1，将所述生长原料置于原料补充容器20和反应容器30中，并将所述原料补充容器20和反应容器30置于所述生长腔室11内，且使所述原料补充容器20 与所述升降机构50、第一旋转驱动机构60传动配合；
55.之后于800℃、3-5mpa、氮气氛围条件下进行氮化镓单晶的液相外延生长，在所述氮化镓单晶的生长过程中，通过控制原料补充容器20以1-100rpm的转速旋转，同时使原料补充容器 20以1-100μm/h的速度上升，而使反应容器30相对运动至原料补充容器20，且在原料补充容器20内的生长原料液面附近上下运动，并利用排液的方式持续向反应容器内补充原料组分配比恒定的生长原料，以持续进行氮化镓单晶的液相外延生长，从而获得质量均匀的氮化镓体单晶。
56.实施例2
57.请参阅图1和图2，本实施例中的一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置的结构组成与实施例1基本相同，在此不再对其相同的结构部分进行赘述，本实施例中的半导体晶体生长装置还包括第二旋转驱动机构(图中未示出)，所述第二旋转驱动机构与所述加热机构80传动连接，并用于驱使所述加热机构80围绕所述反应容器30和/或原料补充容器20转动，从而实现所述生长腔室11内部的热场均匀化，从而更有利于获得质量均一的半导体晶体。
58.在本实施例中，所述加热机构80可以固定设置在所述生长腔室11的内壁上，相应地，所述第二旋转驱动机构与所述生长设备10传动连接，从而通过驱使所述生长设备10和加热机构 80整体转动。
59.在本实施例中，所述第二旋转驱动机构优选设置在所述生长腔室11外部，其中，所述第二旋转驱动机构可以是本领域技术人员已知的旋转气缸或旋转电机等。
60.在本实施例中，通过使加热机构80相对反应容器和/或原料补充容器20旋转的方式，使得生长腔室11内的温度场均匀性显著提升,避免了生长条件的扰动，从而可以提升氮化镓等半导体的结晶质量。
61.需要说明的是，为了避免升降机构和第一旋转驱动机构的运动部件与生长设备10相互影响，可以在所述升降机构和第一旋转驱动机构的运动部件与生长设备10之间设置空气轴承或其他轴承结构来消除两者之间的运动影响，设置的空气轴承或其他轴承结构与生长设备10等结构的配合可以通过本领域技术人员已知的方式来实现，在此不做具体的限定和说明。
62.本实用新型实施例提供的一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，采用体积远大于反应容器的原料补充容器持续向反应容器中补充相同组分配比的生长原料，能够避免封闭体系中，随生长反应的进行，生长容器内原料不断消耗而导致生长原料化学组分配比偏离最佳比例范围的问题，从而保持反应容器中的生长原料化学组分恒定，提高了单晶的片内质量均匀性。
63.本实用新型实施例提供的一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，可以通过驱使原料补充容器相对反应容器旋转的方式，显著提升生长原料的温度均匀性及原料流动性，避免了生长条件的扰动，进一步提升氮化镓的结晶质量；以及，本实施例提供的一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，能够有效实现生长腔室内的热场均匀化，更进一步提高氮化镓单晶的质量均一性；并且，本实用新型实施例提供的一种促进原料组分恒定和流动性的半导体晶体生长装置，结构简单，使用、操作和维护简便，且制备和改装的成本低廉，便于推广和应用。
64.应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。