专利名称：一种高温高压晶体生长设备的制作方法
技术领域：
本发明属于晶体材料特别是半导体材料及晶体生长相关热工程领域，具体涉及一种半导体晶体，即氮化镓晶体生长设备。
背景技术：
GaN是研制高电压、高频率、高功率和高温微电子器件、光电子器件的新型宽带半导体材料，被誉为第三代半导体材料。GaN体材料和膜材料的研究与应用是目前全球半导体材料和器件研究的前沿和热点。目前，GaN材料在生长上由于缺少同质基底仍然以异质外延方法为主，主要有氢化物气相外延(HVPE)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、分子束外延 (MBE)等。衬底材料主要采用蓝宝石，也有采用SiC或Si等。虽然在衬底与外延层之间先生长缓冲层的方法可以部分减少缺陷密度，但总体来说，这种异质外延总不可避免存在较大晶格失配(如GaN/蓝宝石=15%)和热失配(GaN/蓝宝石=25.5%)，导致外延层具有较高的位错密度，形成缺陷和残余应力，而这种晶格缺陷会直接影响器件的光电性能(如寿命和效率)，限制了器件性能的进一步提高。因此，要完全发挥出GaN半导体材料的宽带特征，进一步提高器件光电性能，外延衬底最好采用GaN体单晶自支撑基片(free-standing substrate)，进行同质外延生长。同质外延的优势有1)由于没有晶格失配和热失配，与异质外延相比，器件中缺陷会大大降低；2)可以省去表面氮化、成核层及缓冲层生长等步骤，实现二维生长；3)可克服蓝宝石不导电的缺点，实现垂直器件结构，从而大大简化了器件制作工艺。目前制备GaN单晶材料的主要方法及各自特点见表1。气相法以HVPE为代表，得到的晶体质量不高，缺陷较多，但生长速度较快，已有商品出售，而且设备相对简单。三种溶液法中，高压氮气溶液法所需压力最高，氨热法次之，熔剂法最小；而就温度而言，仍然是高压氮气溶液法最高，熔剂法次之，氨热法最小。可见，相对而言，熔剂法生长条件较为温和， 生长速度较快，因此成本相对较低。高压氮气溶液法得到的晶体质量较好，但想要进一步增大尺寸难度很大；熔剂法得到的晶体质量也较好。氨热法得到的晶体缺陷密度最大，提高生长速度的难度极大。熔剂法通过引入较大尺寸籽晶得到的晶体尺寸已经达到2英寸，几毫米厚度。在限制成核或控制定向生长后，熔剂法单晶生长则更具潜力。显然，熔剂法有可能发展成为工业生长技术。但是目前不管哪种生长方法，GaN体单晶材料的尺寸大多局限于2 英寸直径。并且，由于晶体生长工艺难度大成本高，GaN同质基片售价昂贵，限制了 GaN材料的工业应用，迫切需要发展工艺技术先进，操作简易，成本低廉的工业生长技术，本发明设计即为此目的而形成。表1制备GaN单晶材料的主要方法
权利要求
1.一种高温高压晶体生长设备，包括吊装装置、底座(6)、压力罐(1)、加热炉(18)、下降装置(5)；其特征在于吊装装置安装在压力罐⑴外壳的顶部；底座(6)用于支撑压力罐⑴；压力罐⑴内放置加热炉(18)和下降装置(5)，加热炉(18)下炉口与压力罐(1) 内的炉腔相通；下降装置(5)安装在加热炉(18)下方，其上放置被加热炉(18)加热的坩埚，坩埚中放置用于生成高温高压晶体的物料。
2.如权利要求1所述的一种高温高压晶体生长设备，其特征在于所述的压力罐(1) 包括不锈钢壳体、安装在壳体外部的冷却盘管G)、供应加热炉功率的接线端子(16)；所述加热炉(18)包括内部的发热元件(3)、外部的保温材料O)、炉腔和炉口处的隔热密封塞 (15)；所述下降装置( 包括放置坩埚的载物平台、蜗轮蜗杆、调速齿轮组、慢速电机、指针及刻度尺；下降装置( 放置于一个压力罐内部的与压力罐固定相连的支撑平台(7)之上。
3.如权利要求2所述的一种高温高压晶体生长设备，其特征在于压力罐不锈钢壳体分为上、下两个部分，通过法兰盘螺栓紧固密封或快开式自紧固密封。
4.如权利要求1或2所述的一种高温高压晶体生长设备，其特征在于压力罐通过与之连接的真空设备0 保证压力罐内气体的纯净或保持真空。
5.如权利要求2所述的一种高温高压晶体生长设备，其特征在于加热炉发热元件(3) 由石墨、Fe/Cr/Al合金、Ni/Cr合金、铌、钛、钽、钼、钨、铼、钼、碳化硅、硅化钼中的一个或多个构成。
6.如权利要求1，2，3，5任一项所述的一种高温高压晶体生长设备，其特征在于加热炉(18)可将所述炉腔加热至 2000°C。
7.如权利要求1，2，3，5任一项所述的一种高温高压晶体生长设备，其特征在于加热炉(18)包括至少两个温度传感器(10，11)，用于测量所述炉腔的至少两个位置的温度；所述温度传感器为选自热电偶、热敏电阻其任何组合中的两个或多个；其中一个用于控制炉腔温度，其他用于指示炉腔不同位置温度。
8.如权利要求2所述的一种高温高压晶体生长设备，其特征在于保温材料⑵为硅酸铝耐火棉、氧化铝多晶纤维、石墨、普通碳毡、碳沉积毡的一种或多种。
9.如权利要求2所述的一种高温高压晶体生长设备，其特征在于冷却盘管(4)缠绕在压力罐外部；冷却盘管⑷外接带水泵的冷却水箱。
10.如权利要求7所述的一种高温高压晶体生长设备，其特征在于所述传感器的输出由压力罐上的接线端子(16)引入，并在IOMI^a气压下安全输出；加热炉的功率由压力罐上的功率亦由接线端子(16)引入，并在IOMI^a气压下安全输电。
全文摘要
本发明所提供一种高温高压晶体生长设备，尤其是一种能生长大尺寸GaN体单晶的高温高压熔剂-坩埚下降法生长设备。包括吊装装置、底座(6)、压力罐(1)、加热炉(18)、下降装置(5)；吊装装置安装在压力罐(1)外壳的顶部；底座(6)用于支撑压力罐(1)；压力罐(1)内放置加热炉(18)和下降装置(5)，加热炉(18)下炉口与压力罐(1)相通；下降装置(5)安装在加热炉(18)下方，其上放置被加热炉(18)加热的用于生成高温高压晶体的物料。本发明结构简单，操作方便，用途广泛，可用于生长大尺寸GaN体单晶材料外，也可用于从高蒸汽压熔体中生长的各种功能晶体材料，还可以用于一些物质在气氛下的热等静压处理或烧结等。
文档编号C30B29/40GK102534798SQ201210003909
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月6日 优先权日2012年1月6日
发明者周明斌, 徐卓, 李振荣, 范世骥 申请人:西安交通大学