一种制备氮化物单晶体材料的工业化装置及方法
【专利摘要】本发明公开一种制备氮化物单晶体材料的工业化装置及方法，其核心包括一套提供氮气源的装置。本发明通过一种加压装置调节N2终端口处气液界面两边的压强差，来控制N2进入Ga-Na溶液的流量及时间。采用该设计可以克服传统装置N2源供给不足的局限，具有N2源总量可调、N2源输入位置可选、N2源供给时间可控等优点，充分满足目标GaN晶体生长所需的N2源，为增加目标GaN晶体生长速率、多片式GaN晶体同时生长提供了有利条件，大大降低了制备成本。
【专利说明】一种制备氮化物单晶体材料的工业化装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体光电材料领域，特别涉及一种制备高质量氮化物单晶体材料的工业化装置及方法。
【背景技术】
[0002]GaN作为第三代半导体材料的主要代表，由于其宽带隙、高耐压、高热导等优异性能，已引起业界的广泛关注。在众多制备GaN单晶体材料的方法中，钠流法(The Na FluxMethod)所需的制备条件适中(700— 1000°C，5MPa)，制备的单晶体材料具有较低的位错密度(~14 cm_2)与较大的晶体尺寸(4英寸)，从而成为生长GaN单晶体材料最有前景的制备技术。钠流法中晶体生长的质量与生长速率直接与Ga-Na溶液中N的浓度及均匀性相关。传统反应装置的N2源供给通道单一，一般从反应室上部的Ga-Na溶液与氮气的气液界面处进入，导致气液界面处的Ga-Na溶液中N2源浓度大(相较于反应室的中、下部)，容易自发形核产生GaN多晶，阻碍N2源的供给，导致晶体生长缓慢，目前GaN单晶体材料的最大生长速率仅为30 μ m/h。因此，如何更进一步的提高Ga-Na溶液中N2的溶解浓度及均匀性，为GaN晶体生长提供充足稳定的N源，是钠流法制备高质量GaN单晶体材料必须解决的关键问题。
【发明内容】
[0003]为了克服传统装置N源供给量不足及在Ga-Na溶液中N2的溶解均匀性不可控的局限，本发明设计了一种控制灵活的N2供应装置，具有N2源总量可调、供给位置可选以及供给时间可控等优点，充分满足目标GaN晶体生长所需的N源条件。本发明设计的N2供应装置通过加压装置调节N2终端输入口处气液界面两边的压强差，以控制N2进入Ga-Na溶液的流量及时间；根据不同高度的N2输入端口设置不同的压力控制值，可实现不同空间位置的N2源供给平衡，提高晶体生长速率与晶体质量一致性。本发明的N2供应装置通过加压装置将反应室上部的N2源输送到反应室中、下部的N溶解度较低区域,而未被Ga-Na溶液溶解束缚的N2又会自发从中逸出，返回到反应室上部N2区域，再次被输运到反应室的其他区域。N2循环利用的设计既充分保证了 N源的纯度，又充分利用了 N源。
[0004]具体技术方案如下:
一种制备氮化物单晶体材料的工业化装置，包括反应釜体、N2输入通道、N2输入通道阀门、坩埚和N2供应装置，所述N2通过N2输入通道和N2输入通道阀门通入所述反应釜体内的反应室N2区域，所述反应室N2区域通过所述N2供应装置与所述坩埚内的反应室Ga-Na溶液区域连通；所述N2供应装置包括N2循环通道、N2循环通道阀门、N2循环通道高位分阀门、N2循环通道低位分阀门、高位加压装置、低位加压装置、高位供N2终端口和低位供N2终端口 ；所述N2循环通道的一端与所述反应室N2区域连通，所述N2循环通道的另一端通过所述高位供N2终端口、低位供N终端口与所述反应室Ga-Na溶液区域连通；所述N2循环通道高位分阀门、高位加压装置控制所述高位供N2终端口的流通，所述N2循环通道低位分阀门、低位加压装置控制所述低位供N2终端口的流通。
[0005]上述技术方案中，所述N2供应装置为内置式N2供应装置或者外置式N2供应装置。
[0006]上述技术方案中，所述坩埚内设置有晶种模版，所述晶种模版的位置呈高低分布，所述晶种模版水平设置或者垂直设置；所述晶种模版的数量为一个或者多个。
[0007]上述技术方案中，所述高位供N2终端口(81)和低位供N2终端口(82)设置于所述坩埚(9)的底部或侧壁。
[0008]上述技术方案中，所述高位加压装置、低位加压装置、N2循环通道的材质为具有抗氧化、耐应力和耐高温的材料。
[0009]上述技术方案中，所述N2循环通道阀门、N2循环通道高位分阀门、N2循环通道低位分阀门、高位供N2终端口与低位供N2终端口的材质为具有抗氧化、耐高温和抗硫化的材料。
[0010]一种制备氮化物单晶体材料的方法，包括以下步骤:
A、反应釜体内分为反应室N2区域和反应室Ga-Na溶液区域，将若干晶种模版放置在坩埚内部的所述反应室Ga-Na溶液区域中，并加热反应釜体；
B、打开N2输入通道阀门，N2通过N2输入通道进入到所述反应室N2区域；
C、打开N2循环通道阀门、N2循环通道高位分阀门和N2循环通道低位分阀门，打开高位加压装置设置高位供N2终端口附近气液界面两边的压差，同时，打开低位加压装置设置低位供N2终端口附近气液界面两边的压差；
D、根据不同晶种模版的目标晶体厚度，确定高位供N2终端口和低位供N2终端口的停止供N2的先后顺序；
F、达到晶种目标厚度后，降温排除废液并取出晶体。
[0011 ] 上述技术方案中，所述高位供N2终端口和低位供N2终端口附近气液界面两边的压差范围为I—lOOOPa。
[0012]上述技术方案中，所述N2循环通道中N2输入流量视高位供N2终端口和低位供N2终端口附近气液界面两边的压差而定，各区域N2输入起始时间根据N在反应室Ga-Na溶液区域中的溶解扩散特征而改变，输入时间根据晶体生长的目标厚度与晶体生长速度而定。
[0013]本发明的有益效果是:采用本发明的N2供应装置可以明显提高反应室中、下部N溶解度较低区域的N浓度，增加了 GaN晶体生长速率、为多片式GaN晶体同时均匀生长提供了条件，大大降低了制备成本。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是本发明实施例中采用的一种配备内置式N2供应装置(N2输入终端口垂直方向多点化)的氮化物单晶体材料工业化装置；
图2是本发明实施例中采用的一种配备外置式N2供应装置(N2输入终端口垂直方向多点化)的氮化物单晶体材料工业化装置。
[0015]附图标记说明:
1、反应釜体；2、反应室N2区域；3、反应室Ga-Na溶液区域；4、晶种模版；51、N2输入通道；52、N2循环通道；61、N2输入通道阀门；62、N2循环通道阀门；63、N2循环通道高位分阀门；64、N2循环通道低位分阀门；71、高位加压装置；72、低位加压装置；81、高位供N2终端口 ；82、低位供N2终端口 ；9、坩埚。
【具体实施方式】
[0016]以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不限定本发明。
[0017]一种制备氮化物单晶体材料的工业化装置，包括反应釜体UN2输入通道51、N2输入通道阀门61、坩埚9和N2供应装置，所述N2通过N2输入通道51和N2输入通道阀门61通入所述反应釜体I内的反应室N2区域2，所述反应室N2区域2通过所述N2供应装置与所述坩埚9内的反应室Ga-Na溶液区域3连通；所述N2供应装置包括N2循环通道52、N2循环通道阀门62、N2循环通道高位分阀门63、N2循环通道低位分阀门64、高位加压装置71、低位加压装置72、高位供N2终端口 81和低位供N2终端口 82 ;所述N2循环通道52的一端与所述反应室N2区域2连通，所述N2循环通道52的另一端通过所述高位供N2终端口 81、低位供N终端口 82与所述反应室Ga-Na溶液区域3连通；所述N2循环通道高位分阀门63、高位加压装置71控制所述高位供N2终端口 81的流通，所述N2循环通道低位分阀门64、低位加压装置72控制所述低位供N2终端口 82的流通。
[0018]其中，所述N2供应装置为内置式N2供应装置或者外置式N2供应装置。优选的，不限于供给N2。
[0019]其中，所述坩埚9内设置有晶种模版4，所述晶种模版4的位置呈高低分布，所述晶种模版4水平设置或者垂直设置；所述晶种模版4的数量为一个或者多个。
[0020]其中，所述高位供N2终端口 81和低位供N2终端口 82可以设置于坩埚9的底部，也可以是坩埚侧壁等其它位置，数量可以是一个，也可以是多个。
[0021]其中，所述高位加压装置71、低位加压装置72、N2循环通道52的材质为不锈钢材料。优选的，只要选用的材质具有抗氧化、耐应力、耐高温的优良性能即可，不限于不锈钢材料。
[0022]其中，所述N2循环通道阀门62、N2循环通道高位分阀门63、N2循环通道低位分阀门64、高位供N2终端口 81与低位供N2终端口 82的材质为英康乃尔合金。优选的，只要选用的材质具有抗氧化、耐高温和抗硫化的优良性能，不限于英康乃尔合金。
[0023]一种制备氮化物单晶体材料的方法，包括以下步骤:
A、反应釜体I内分为反应室N2区域2和反应室Ga-Na溶液区域3，将若干晶种模版4放置在坩埚9内部的所述反应室Ga-Na溶液区域3中，并加热反应釜体I ;
B、打开N2输入通道阀门61，N2通过N2输入通道51进入到所述反应室N2区域2;
C、打开N2循环通道阀门62、N2循环通道高位分阀门63和N2循环通道低位分阀门64，打开高位加压装置71设置高位供N2终端口 81附近气液界面两边的压差，同时，打开低位加压装置72设置低位供N2终端口 82附近气液界面两边的压差；
D、根据不同晶种模版4的目标晶体厚度，确定高位供N2终端口81和低位供N2终端口82的停止供N2的先后顺序；
F、达到晶种目标厚度后，降温排除废液并取出晶体。
[0024]其中，所述高位供N2终端口 81和低位供N2终端口 82附近气液界面两边的压差范围为I一lOOOPa。优选的，其最佳压差范围为5-500Pa。
[0025]其中，所述N2循环通道52中N2输入流量视高位供N2终端口 81和低位供N2终端口 82附近气液界面两边的压差而定，各区域N2输入起始时间根据N在反应室Ga-Na溶液区域3中的溶解扩散特征而改变，输入时间根据晶体生长的目标厚度与晶体生长速度而定。
[0026]实施例一:
一种配备内置式N2供应装置(N2输入终端口垂直方向多点化)的氮化物单晶体材料工业化装置，包括新型内置式N2供应装置和传统氮化物单晶体材料工业化装置。如图1所示，内置式N2供应装置包括高位加压装置71、低位加压装置72、N2循环通道阀门62、N2循环通道高位分阀门63、N2循环通道低位分阀门64、N2循环通道52、高位供N2终端口 81和低位供N2终端口 82 ;传统氮化物单晶体材料工业化装置包括反应釜体1、坩埚9、N2输入通道51和N2通道阀门61。把四片氮化镓衬底作为晶种模版4水平/垂直放置在坩埚9的内部，垂直放置的晶种目标厚度为1_，水平放置的晶种目标厚度为2_ ;加热反应爸体1，打开外N2通道阀门61，N2通过N2输入通道51进入到反应室N2区域2，微量的N开始从反应室N2区域2与反应室Ga-Na溶液区域3的界面处溶解进入反应室Ga-Na溶液区域3 ;打开N2循环通道阀门62，设置与高位供N2终端口 81的压差为10 Pa，打开N2循环通道高位分阀门63，开启高位加压装置71，同时，设置与低位供N2终端口 82的压差为50 Pa，打开N2循环通道低位分阀门64，开启低位加压装置72，使得反应室N2区域2中的N2通过N2循环通道52分别输送到高位供N2终端口 81和低位供N2终端口 82，再溶解扩散在附近溶液中；此时，来自多方面的N源——反应室N2区域2与反应室Ga-Na溶液区域3的界面处溶解的N、高位供N2终端口 81处溶解的N和低位供N2终端口 82处溶解的N，为晶种模版4的氮化镓形核生长提供了充足的N源条件。根据晶种的目标厚度，先关闭高位加压装置71与N2循环通道高位分阀门63，停止高位供N2终端口 81处N2的供给，当水平晶种的目标厚度达到后，关闭N2输入通道阀门61、低位加压装置72与N2循环通道低位分阀门64，降温排除废液取出晶体。这种设计有选择地提高了目标溶液区域中N的溶解浓度及其均匀性，提高了晶体生长质量与生长速度；设置多个供队终端口及创新性引入的队输入终端口空间多点化的独立控制设计，可保证一炉多片晶体生长的质量均一性，实现工业化生产。
[0027]实施例二:
一种配备外置式N2供应装置(N2输入终端口垂直方向多点化)的氮化物单晶体材料工业化装置，包括新型外置式N2供应装置和传统氮化物单晶体材料工业化装置。如图2所示，该外置式N2供应装置包括高位加压装置71、低位加压装置72、N2循环通道阀门62、N2循环通道高位分阀门63、N2循环通道低位分阀门64、N2循环通道52、高位供N2终端口 81和低位供N2终端口 82 ;传统氮化物单晶体材料工业化装置包括反应釜体1、坩埚9、N2输入通道51和N2通道阀门61。把四片氮化镓衬底作为晶种模版4水平/垂直放置在坩埚9的内部，垂直放置的晶种目标厚度为1_，水平放置的晶种目标厚度为2_ ;加热反应爸体1，打开外N2通道阀门61，N2通过N2输入通道51进入到反应室N2区域2，微量的N开始从反应室N2区域2与反应室Ga-Na溶液区域3的界面处溶解进入反应室Ga-Na溶液区域3 ;打开N2循环通道阀门62，设置与高位供N2终端口 81的压差为10 Pa，打开N2循环通道高位分阀门63，开启高位加压装置71，同时，设置与低位供N2终端口 82的压差为50 Pa，打开N2循环通道低位分阀门64，开启低位加压装置72，使得反应室N2区域2中的N2通过N2循环通道52分别输送到高位供N2终端口 81和低位供N2终端口 82，再溶解扩散在附近溶液中；此时，来自多方面的N源——反应室N2区域2与反应室Ga-Na溶液区域3的界面处溶解的N、高位供N2终端口 81处溶解的N和低位供N2终端口 82处溶解的N，为晶种模版4的氮化镓形核生长提供了充足的N源条件。根据晶种的目标厚度，先关闭高位加压装置71与N2循环通道高位分阀门63，停止高位供N2终端口 81处N2的供给，当水平晶种的目标厚度达到后，关闭N2输入通道阀门61、低位加压装置72与N2循环通道低位分阀门64，降温排除废液取出晶体。这种设计有选择地提高了目标溶液区域中N的溶解浓度及其均匀性，提高了晶体生长质量与生长速度；创新性引入的N2输入终端口空间多点化的独立控制设计，可实现一炉多片晶体生长的质量均一性。同时，外置式的N2供应装置设计不仅实现了实施例一中的优点，还有效避免了溶液对输运管道的腐蚀与交叉污染，更有利于高质量的GaN单晶生长。
[0028]本发明通过一种加压装置调节N2终端口处气液界面两边的压强差，来控制N2进入Ga-Na溶液的流量及时间。采用该设计可以克服传统装置N2源供给不足的局限，具有N2源总量可调、N2源输入位置可选、N2 源供给时间可控等优点，充分满足目标GaN晶体生长所需的N2源，为增加目标GaN晶体生长速率、多片式GaN晶体同时生长提供了有利条件，大大降低了制备成本。
[0029]以上的实施例只是在于说明而不是限制本发明，故凡依本发明专利申请范围所述的方法所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。
【权利要求】
1.一种制备氮化物单晶体材料的工业化装置，其特征在于:包括反应釜体(1)、N2输入通道(51)、N2输入通道阀门(61)、坩埚(9)和N2供应装置，所述N2通过N2输入通道(51)和N2输入通道阀门(61)通入所述反应釜体(1)内的反应室N2区域(2)，所述反应室N2区域(2)通过所述N2供应装置与所述坩埚(9)内的反应室Ga-Na溶液区域(3)连通；所述N2供应装置包括N2循环通道(52)、N2循环通道阀门(62)、N2循环通道高位分阀门(63)、N2循环通道低位分阀门(64)、高位加压装置(71)、低位加压装置(72)、高位供N2终端口(81)和低位供N2终端口(82);所述N2循环通道(52)的一端与所述反应室N2区域(2)连通，所述N2循环通道(52)的另一端通过所述高位供N2终端口(81)、低位供N终端口(82)与所述反应室Ga-Na溶液区域(3)连通；所述N2循环通道高位分阀门(63)、高位加压装置(71)控制所述高位供N2终端口(81)的流通，所述N2循环通道低位分阀门(64)、低位加压装置(72)控制所述低位供N2终端口(82)的流通。
2.根据权利要求1所述的一种制备氮化物单晶体材料的工业化装置，其特征在于:所述N2供应装置为内置式N2供应装置或者外置式N2供应装置。
3.根据权利要求1所述的一种制备氮化物单晶体材料的工业化装置，其特征在于:所述坩埚(9)内设置有晶种模版(4)，所述晶种模版(4)的位置呈高低分布，所述晶种模版(4)水平设置或者垂直设置；所述晶种模版(4)的数量为一个或者多个。
4.根据权利要求1所述的一种制备氮化物单晶体材料的工业化装置，其特征在于:所述高位供N2终端口(81)和低位供N2终端口(82)设置于所述坩埚(9)的底部或侧壁。
5.根据权利要求1所述的一种制备氮化物单晶体材料的工业化装置，其特征在于:所述高位加压装置(71)、低位加压装置(72)、N2循环通道(52)的材质为具有抗氧化、耐应力和耐高温的材料。
6.根据权利要求1所述的一种制备氮化物单晶体材料的工业化装置，其特征在于:所述N2循环通道阀门(62)、N2循环通道高位分阀门(63)、N2循环通道低位分阀门(64)、高位供N2终端口(81)与低位供N2终端口(82)的材质为具有抗氧化、耐高温和抗硫化的材料。
7.根据权利要求1至6任一所述的一种制备氮化物单晶体材料的方法，其特征在于，包括以下步骤: A、反应釜体(1)内分为反应室N2区域(2)和反应室Ga-Na溶液区域(3)，将若干晶种模版(4)放置在坩埚(9 )内部的所述反应室Ga-Na溶液区域(3 )中，并加热反应釜体(1); B、打开N2输入通道阀门(61)，N2通过N2输入通道(51)进入到所述反应室N2区域(2); C、打开N2循环通道阀门(62)、N2循环通道高位分阀门(63)和N2循环通道低位分阀门( 64)，打开高位加压装置(71)设置高位供N2终端口(81)附近气液界面两边的压差，同时，打开低位加压装置(72)设置低位供N2终端口(82)附近气液界面两边的压差； D、根据不同晶种模版(4)的目标晶体厚度，确定高位供N2终端口(81)和低位供N2终端口(82)的停止供N2的先后顺序； F、达到晶种目标厚度后，降温排除废液并取出晶体。
8.根据权利要求7所述的一种制备氮化物单晶体材料的方法，其特征在于:所述高位供N2终端口(81)和低位供N2终端口(82)附近气液界面两边的压差范围为I一lOOOPa。
9.根据权利要求7所述的一种制备氮化物单晶体材料的方法，其特征在于:所述N2循环通道(52)中N2输入流量视高位供N2终端口(81)和低位供N2终端口(82)附近气液界面两边 的压差而定，各区域N2输入起始时间根据N在反应室Ga-Na溶液区域(3)中的溶解扩散特征而改变，输入时间根据晶体生长的目标厚度与晶体生长速度而定。
【文档编号】C30B19/06GK104131351SQ201410363568
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年7月29日 优先权日:2014年7月29日
【发明者】刘南柳, 陈蛟, 郑小平, 张国义 申请人:北京大学东莞光电研究院