一種通過溫場調(diào)控溶液流向的氮化物單晶生長裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及氮化物單晶半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，更具體地是涉及一種關(guān)于通過溫場調(diào)控溶液攪拌的氮化物單晶材料生長裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，氮化鎵等3B族氮化物作為具有優(yōu)異藍(lán)色發(fā)光性能的材料，受到了廣泛的關(guān)注，并且作為發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器的材料被廣泛實(shí)用化。
[0003]目前，對氮化鎵半導(dǎo)體材料的制備方法主要是氫化物氣相外延法(HVPE)，這也是目前商業(yè)化生產(chǎn)的主要方法，但是難以合成高質(zhì)量的單晶，普遍存在10_6 cm_2的位錯密度。近年來，高溫高壓法(HPNS)、鈉流法(Na Flux)和氨熱法(Ammothermal growth)等方法由于具備合成高質(zhì)量單晶的能力，受到廣泛的研宄。其中，高溫高壓法和氨熱法由于對設(shè)備和生長條件的要求較為苛刻，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。鈉流法的生長條件較為溫和(700~1000°C，4~5MPa)且晶體質(zhì)量較好，成為生產(chǎn)氮化鎵單晶材料最具潛力的方法。
[0004]鈉流法是從高溫高壓法演變過來的晶體生長方法，通過加熱反應(yīng)釜來達(dá)到晶體的生長條件。傳統(tǒng)的反應(yīng)釜加熱裝置只能達(dá)到特定溫度下的實(shí)現(xiàn)整個釜體的加熱，所形成的熱對流為無序?qū)α鳌?br>[0005]研宄表明，反應(yīng)物溶液中設(shè)置溫度梯度，使反應(yīng)釜溶液上部高溫，下部低溫，形成熱對流來加速溶質(zhì)的傳遞，從而促進(jìn)反應(yīng)。但是這種熱對流為垂直方向，是一種亂流，由于不能調(diào)控?zé)釋α鞯牧飨颍瑢w的質(zhì)量容易產(chǎn)生影響。
[0006]專利CN200880005131公開了一種溫差產(chǎn)生方法，在反應(yīng)釜底部增加單向溫度梯度，配合反應(yīng)釜壁的高溫和低溫，形成溶液熱對流，可以實(shí)現(xiàn)氮化物單晶膜厚均勻化。但是這種對流為單向?qū)α?，對溶質(zhì)缺乏指向性引導(dǎo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種通過溫場調(diào)控溶液流向的氮化物單晶生長裝置，通過溫度控制，使得反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)物溶液形成有序的對流。
[0008]為了解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采取以下技術(shù)方案:
[0009]一種通過溫場調(diào)控溶液流向的氮化物單晶生長裝置，包括反應(yīng)釜，該反應(yīng)釜內(nèi)填充有反應(yīng)物溶液，反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有晶種模板，所反應(yīng)釜側(cè)壁周圍設(shè)有第一加熱裝置，反應(yīng)釜底面外表面設(shè)有第二加熱裝置，反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有位于反應(yīng)物溶液的液面上方的第三加熱裝置，第一加熱裝置的加熱溫度高于第二加熱裝置和第三加熱裝置的加熱溫度，第二加熱裝置的加熱溫度和第三加熱裝置的加熱溫度相異。
[0010]所述第二熱裝置的加熱溫度高于或者低于第三加熱裝置的加熱溫度。
[0011 ] 所述第三加熱裝置設(shè)在反應(yīng)物溶液上方的中心區(qū)，第二加熱裝置設(shè)置在晶種模板對應(yīng)的正下方。
[0012]所述晶種模板水平設(shè)置在反應(yīng)釜內(nèi)底面的中心區(qū)域。
[0013]所述晶種模板豎直設(shè)置在反應(yīng)釜內(nèi)底面的中心區(qū)域。
[0014]所述晶種模板為多片氮化物晶種模板。
[0015]所述晶種模板是藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底、硅襯底或者硅鍺襯底，或者是相應(yīng)的氮化物自支撐襯底，或者是生長于異質(zhì)襯底上的氮化物復(fù)合襯底；所述襯底是c面或非極性面或半極性面。
[0016]所述第一加熱裝置、第二加熱裝置和第三加熱裝置的加熱方式為但不限于電阻、射頻或紅外加熱方式。
[0017]本家產(chǎn)新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果:
[0018]1.通過對反應(yīng)釜內(nèi)的反應(yīng)物溶液各方位不同溫度的加熱，使得具有溫差的溫場形成多重環(huán)形有序?qū)α?，增加了反?yīng)物溶液的流動，從而帶動N及其他溶質(zhì)充分流動參與反應(yīng)，使得單晶膜更均勻和減少體單晶表面骼晶現(xiàn)象，同時降低N空位等晶體缺陷，提高晶體質(zhì)量。
[0019]2.通過加熱溫度的控制，使得多重環(huán)形對流具有指向性，其合流處設(shè)置為晶種模板生長區(qū)，可提高晶體材料生長速度。
[0020]3.由于對流使溶液表面高濃度的N可以及時流向晶種模板參與反應(yīng)，可以降低氣液界面由于N濃度過飽和而產(chǎn)生多晶層，有效提高反應(yīng)物利用率。
[0021]4.僅采用加熱裝置就可以實(shí)現(xiàn)溶液的對流攪拌，設(shè)備工藝簡單，可有效降低成本。
【附圖說明】
[0022]附圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例一的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]附圖2為附圖1的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024]附圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例二的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0025]附圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例三的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]附圖5為附圖4的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]附圖標(biāo)注說明:
[0028]110:實(shí)施例一的反應(yīng)釜；111:實(shí)施例一的反應(yīng)物溶液；121:第一加熱裝置；122:第二加熱裝置；123:第三加熱裝置；130:實(shí)施例一的晶種模板。
[0029]110:實(shí)施例二的反應(yīng)釜；111:實(shí)施例二的反應(yīng)物溶液；221:實(shí)施
[0030]例二的第一加熱裝置；222:實(shí)施例二的第二加熱裝置；223:實(shí)施例二的第三加熱裝置；230:實(shí)施例二的晶種模板。
[0031]110:實(shí)施例三的反應(yīng)釜；111:實(shí)施例三的反應(yīng)物溶液；321:實(shí)施例三的第一加熱裝置；322:實(shí)施例三的第二加熱裝置；323:實(shí)施例三的第三加熱裝置；330:實(shí)施例三的多片晶種模板。
【具體實(shí)施方式】
[0032]為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合具體實(shí)施例和附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。
[0033]本實(shí)用新型揭示了一種通過溫場調(diào)控溶液攪拌的氮化物單晶生長裝置，包括反應(yīng)釜，該反應(yīng)釜內(nèi)設(shè)有反應(yīng)物溶液和晶種模板，晶種模板正下方設(shè)置有第二加熱裝置，以調(diào)控溫度達(dá)到晶體生長過飽和臨界狀態(tài)；反應(yīng)物溶液的氣液界面上方中心區(qū)設(shè)置有第三加熱裝置，以調(diào)控溶液中心形成對流；反應(yīng)釜側(cè)壁周圍設(shè)置有第一加熱裝置，加大原料溶解度；三個加熱裝置間的加熱溫度各不相同，且第一加熱裝置的加熱溫度高于第二加熱裝置和第三加熱裝置的加熱溫度，高低溫場之間形成溶液對流。在不需要外加攪拌葉片及搖擺旋轉(zhuǎn)反應(yīng)釜的情況下，對流加速N及反應(yīng)物的流動，使表面高濃度的N更快到達(dá)晶種模板表面進(jìn)行晶體材料生長，且濃度均勻，不易產(chǎn)生雜晶。特別地，環(huán)形對流合流的集中點(diǎn)分布在晶種模板上，可有效提高晶體生長所需的N濃度。
[0034]此外，對于加熱裝置和晶種模板的設(shè)置有以下三種較佳的實(shí)施例。
[0035]實(shí)施例一，如附圖1和2所示，一種通過溫場調(diào)控溶液流向的氮化物單晶生長裝置，包括反應(yīng)釜110，該反應(yīng)釜110內(nèi)填充有反應(yīng)物溶液111，反應(yīng)釜110內(nèi)設(shè)有晶種模板130，反應(yīng)釜110側(cè)壁周圍設(shè)有第一加熱裝置121，對反應(yīng)釜進(jìn)行高溫加熱，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)物溶解。反應(yīng)釜110底面外表面設(shè)有