[發明專利]一種高溫高壓晶體生長設備

無效

• 申請號: 201210003909.3
• 申請日: 2012-01-06
• 公開（公告）號: CN102534798A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 李振榮;周明斌;范世驥;徐卓
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: C30B29/40
• 分類號: C30B29/40;C30B11/00;C30B9/00
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

技術領域：

本發明屬于晶體材料特別是半導體材料及晶體生長相關熱工程領域，具體涉及一種半導體晶體，即氮化鎵晶體生長設備。

背景技術：

GaN是研制高電壓、高頻率、高功率和高溫微電子器件、光電子器件的新型寬帶半導體材料，被譽為第三代半導體材料。GaN體材料和膜材料的研究與應用是目前全球半導體材料和器件研究的前沿和熱點。目前，GaN材料在生長上由于缺少同質基底仍然以異質外延方法為主，主要有氫化物氣相外延(HVPE)、金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)、分子束外延(MBE)等。襯底材料主要采用藍寶石，也有采用SiC或Si等。雖然在襯底與外延層之間先生長緩沖層的方法可以部分減少缺陷密度，但總體來說，這種異質外延總不可避免存在較大晶格失配(如GaN/藍寶石＝15％)和熱失配(GaN/藍寶石＝25.5％)，導致外延層具有較高的位錯密度，形成缺陷和殘余應力，而這種晶格缺陷會直接影響器件的光電性能(如壽命和效率)，限制了器件性能的進一步提高。

因此，要完全發揮出GaN半導體材料的寬帶特征，進一步提高器件光電性能，外延襯底最好采用GaN體單晶自支撐基片(free-standing?substrate)，進行同質外延生長。同質外延的優勢有：

1)由于沒有晶格失配和熱失配，與異質外延相比，器件中缺陷會大大降低；

2)可以省去表面氮化、成核層及緩沖層生長等步驟，實現二維生長；

3)可克服藍寶石不導電的缺點，實現垂直器件結構，從而大大簡化了器件制作工藝。

目前制備GaN單晶材料的主要方法及各自特點見表1。氣相法以HVPE為代表，得到的晶體質量不高，缺陷較多，但生長速度較快，已有商品出售，而且設備相對簡單。三種溶液法中，高壓氮氣溶液法所需壓力最高，氨熱法次之，熔劑法最小；而就溫度而言，仍然是高壓氮氣溶液法最高，熔劑法次之，氨熱法最小。可見，相對而言，熔劑法生長條件較為溫和，生長速度較快，因此成本相對較低。高壓氮氣溶液法得到的晶體質量較好，但想要進一步增大尺寸難度很大；熔劑法得到的晶體質量也較好。氨熱法得到的晶體缺陷密度最大，提高生長速度的難度極大。熔劑法通過引入較大尺寸籽晶得到的晶體尺寸已經達到2英寸，幾毫米厚度。在限制成核或控制定向生長后，熔劑法單晶生長則更具潛力。顯然，熔劑法有可能發展成為工業生長技術。但是目前不管哪種生長方法，GaN體單晶材料的尺寸大多局限于2英寸直徑。并且，由于晶體生長工藝難度大成本高，GaN同質基片售價昂貴，限制了GaN材料的工業應用，迫切需要發展工藝技術先進，操作簡易，成本低廉的工業生長技術，本發明設計即為此目的而形成。

表1制備GaN單晶材料的主要方法

另外，現有的晶體生長方法中，坩堝下降法(又稱Bridgman-Stockbarger法)是其中的主要方法之一。其主要特點如下：

(1)適合大尺寸、多數量晶體的生長。

(2)可加籽晶定向生長單晶，也可以自然成核，依據幾何淘汰的原理生長單晶。

(3)可采用封閉的坩堝進行生長，防止由于熔體、摻質的揮發而造成的組分偏離和摻雜濃度下降，并且可以避免有害物質對周圍環境的污染。

(4)晶體的形狀可以隨坩堝的形狀而定，適合異型晶體的生長。

(5)操作工藝比較簡單，易于實現程序化，自動化。

因此將坩堝下降法引入到熔劑法中可望能生長出較大尺寸的GaN體單晶材料。

發明內容：

本發明所要解決的技術問題是提供一種高溫高壓晶體生長設備，尤其是一種能生長大尺寸GaN體單晶的高溫高壓熔劑-坩堝下降法生長設備。

本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為：

一種高溫高壓晶體生長設備，包括吊裝裝置、底座、壓力罐、加熱爐、下降裝置；吊裝裝置安裝在壓力罐外殼的頂部；底座用于支撐壓力罐；壓力罐內放置加熱爐和下降裝置，加熱爐下爐口與壓力罐內的爐腔相通；下降裝置安裝在加熱爐下方，其上放置被加熱爐加熱的坩堝，坩堝中放置用于生成高溫高壓晶體的物料。

所述的壓力罐包括不銹鋼殼體、安裝在殼體外部的冷卻盤管、供應加熱爐功率的接線端子；所述加熱爐包括內部的發熱元件、外部的保溫材料、爐腔和爐口處的隔熱密封塞；所述下降裝置包括放置坩堝的載物平臺、蝸輪蝸桿、調速齒輪組、慢速電機、指針及刻度尺；下降裝置放置于一個壓力罐內部的與壓力罐固定相連的支撐平臺之上。