一种自动旋转的氮化镓单晶生长装置及方法

本发明涉及半导体，尤其涉及一种自动旋转的氮化镓单晶生长装置及方法。

背景技术：

1、目前，第三代半导体材料在新能源、5g通信、激光及固态照明等领域的应用越来越广泛。尤其是gan单晶衬底材料，不仅要满足耐高温、耐高压、耐高频的特性，还要满足低位错密度甚至极低位错密度的质量要求。氮化镓单晶衬底生长的主要方法有hvpe法、氨热法、助熔剂法，其中助熔剂法是生长高质量第三代半导体氮化镓单晶衬底的最有潜力的一种方法。在这种方法中，生长氮化镓单晶的高温高压装置一般如下：反应釜底部放置籽晶，再放入适量的镓、钠及其他助熔剂，通入高压氮气，反应釜放入加热腔体，外部由环形石墨加热器加热。氮化镓生长条件一般为温度600～900℃，氮气压力1～8mpa。在氮化镓单晶生长过程中，生长反应需要的氮气在高压条件下溶入镓-钠熔体，解离为少量氮离子。氮离子由熔体表面扩散到底部与镓离子反应生成氮化镓单晶。但是氮离子扩散速度较慢，生长过程经常出现熔体上下氮离子浓度差极大，这对氮化镓生长的稳定性有很大的影响；其次，由于氮离子扩散速度较慢且籽晶表面生长浓度不均匀，所以经常出现籽晶表面生长速率不一样，表面厚度不一致，导致氮化镓的生长质量较低。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术中的不足，提供一种自动旋转的氮化镓单晶生长装置及氮化镓单晶生长方法。本发明提供的装置既能实现氮离子浓度分布均匀，又能让氮化镓单晶衬底自动旋转，实现氮离子溶解与消耗的分离，让整个熔体系统实现循环流动，而循环流体又可以自动带动单晶衬底旋转，解决籽晶表面生长速率不一致，氮化镓生长质量较低的问题。

2、本发明的目的通过以下技术方案实现：

3、其一，本发明提供一种自动旋转的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：包括用于氮气离子化的解离室和用于氮化镓单晶生长的生长室，所述解离室的下端连通第一管线，所述第一管线通过第一驱动器通往所述生长室的上部，所述生长室的下端连通第二管线，所述第二管线通过第二驱动器通往所述解离室的上部；所述生长室内设有支撑杆，所述支撑杆的上端套有涡轮，所述涡轮上安装有叶片，所述涡轮的上端设有圆台，所述圆台上设有凹槽，所述凹槽用于放置籽晶。

4、进一步地，所述第一驱动器和第二驱动器用于提供外力驱动熔体流动。

5、进一步地，所述涡轮通过套孔或凹槽套在支撑杆的上端。

6、进一步地，所述支撑杆固定安装在生长室内，其位置包括但不限于底部及侧边。

7、进一步地，所述解离室的下端还设有第一出口，所述第一出口与所述第一管线连通。

8、进一步地，所述生长室内位于涡轮的下端还设有第二出口，所述第二出口与所述第二管线连通。

9、进一步地，所述叶片的形状包括但不限于板型、弧型和翼型。

10、进一步地，所述凹槽的数量≥1。

11、进一步地，所述涡轮的直径小于所述生长室的内直径，所述圆台的直径小于所述涡轮的直径。

12、其二，本发明提供一种氮化镓单晶生长的方法，包括使用上述本发明的自动旋转的氮化镓单晶生长装置，所述方法包括如下步骤：

13、将自动旋转的氮化镓单晶生长装置放入高压腔体内，在解离室内放置原材料，往高压腔体内通入氮气，涡轮上的凹槽内放置籽晶，对整体装置进行加热升温和加压，解离室内原材料由固态变成熔体状态，高压氮气在解离室内的气液界面发生解离并逐渐往底部扩散，从而使整个解离室内氮离子浓度达到饱和；

14、开启第一驱动器，熔体从第一出口流出，经过第一管线与第一驱动器进入生长室的上部，待解离室和生长室的液位达到工艺条件时，再开启第二驱动器，熔体在生长室内自上而下流动，熔体流动驱动涡轮发生旋转，进而带动籽晶旋转，然后熔体越过涡轮由生长室的第二出口流出，经过第二管线和第二驱动器流向解离室的上部，最后熔体再从解离室的第一出口流出，完成自动循环。

15、本发明的有益效果是：

16、本发明的自动旋转的氮化镓单晶生长装置，首先，可以实现籽晶的自动旋转，在自上而下的流体驱动力之下，涡轮结构可以在支撑杆之上实现旋转，进而实现籽晶表面氮化镓单晶均匀地生长；其次，提高氮元素溶解与扩散速率，熔体自动循环，低浓度熔体可以动态实现氮元素的溶解，而且熔体流动增加的氮元素的扩散。

17、本发明提供的氮化镓单晶生长的方法，一开始将ga、na、助溶剂等原材料放置在解离室内，待加热至预定温度之后，解离室内物质处于熔融状态，解离室内熔体通过解离室的出口经由第一管线流向生长室的上部，然后熔体再从生长室下部流出，流向解离室的上部，如此实现熔体的循环。在熔体循环过程中，因为生长室内流体自上而下运动，熔体会带动涡轮旋转，而旋转的涡轮进而带动凹糟内的籽晶旋转。这样，籽晶的旋转让籽晶的表面的氮离子浓度能够均匀分布，实现籽晶表面氮化镓生长均匀性的要求。此外，整体装置分为解离室与生长室，在生长室内实现氮化镓单晶的生长，也就是氮离子的消耗，在解离室与生长室的熔体表面实现氮离子的解离，增加氮离子的浓度。当熔体经过驱动器流出生长室时，氮离子的浓度很低，进入解离室后，在高压氮气的作用下，氮离子溶于熔体，增加了氮离子浓度。在生长室内，流体不断自上而下流动，所以流体中的氮离子不仅能够混合均匀，而且能够实现高浓度氮离子的快速转移，机械性的增加了离子的传质速率。

技术特征：

1.一种自动旋转的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：包括用于氮气离子化的解离室和用于氮化镓单晶生长的生长室，所述解离室的下端连通第一管线，所述第一管线通过第一驱动器通往所述生长室的上部，所述生长室的下端连通第二管线，所述第二管线通过第二驱动器通往所述解离室的上部；所述生长室内设有支撑杆，所述支撑杆的上端套有涡轮，所述涡轮上安装有叶片，所述涡轮的上端设有圆台，所述圆台上设有凹槽，所述凹槽用于放置籽晶。

2.根据权利要求1所述的自动旋转的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：所述第一驱动器和第二驱动器用于提供外力驱动熔体流动。

3.根据权利要求1所述的自动旋转的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：所述涡轮通过套孔或凹槽套在支撑杆的上端。

4.根据权利要求1所述的自动旋转的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：所述支撑杆安装在生长室的底部或侧边。

5.根据权利要求1所述的自动旋转的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：所述解离室的下端还设有第一出口，所述第一出口与所述第一管线连通。

6.根据权利要求1所述的自动旋转的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：所述生长室内位于涡轮的下端还设有第二出口，所述第二出口与所述第二管线连通。

7.根据权利要求1所述的自动旋转的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：所述叶片为板型、弧型或翼型。

8.根据权利要求1所述的自动旋转的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：所述凹槽的数量≥1。

9.根据权利要求1所述的自动旋转的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：所述涡轮的直径小于所述生长室的内直径，所述圆台的直径小于所述涡轮的直径。

10.一种氮化镓单晶生长的方法，其特征在于：包括使用权利要求1至9中任一项所述的自动旋转的氮化镓单晶生长装置，所述方法包括如下步骤：

技术总结
本发明公开一种自动旋转的氮化镓单晶生长装置及方法，该装置包括用于氮气离子化的解离室和用于氮化镓单晶生长的生长室，解离室的下端连通第一管线，第一管线通过第一驱动器通往生长室的上部，生长室的下端连通第二管线，第二管线通过第二驱动器通往解离室的上部；生长室内设有支撑杆，支撑杆的上端套有涡轮，涡轮上安装有叶片，涡轮的上端设有圆台，圆台上设有凹槽，凹槽用于放置籽晶。本发明既实现氮离子浓度分布均匀，又能让氮化镓单晶衬底自动旋转，实现氮离子溶解与消耗的分离，让整个熔体系统实现循环流动，而循环流体又可以自动带动单晶衬底旋转，解决籽晶表面生长速率不均匀，氮化镓生长质量较低的问题。

技术研发人员：张敏,刘南柳,姜永京,陈垦宇,王琦
受保护的技术使用者：北京大学东莞光电研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13