[發明專利]一種氮化鎵單晶生長裝置及生長方法

在審

• 申請號: 202010557426.2
• 申請日: 2020-06-18
• 公開（公告）號: CN111593398A
• 公開（公告）日: 2020-08-28
• 發明（設計）人: 喬焜;張新建
• 申請（專利權）人: 喬焜;張新建
• 主分類號: C30B7/10
• 分類號: C30B7/10;C30B29/40
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本申請公開了一種氮化鎵單晶生長裝置及生長方法，以實現氨熱法生長高質量、大尺寸氮化鎵單晶。氮化鎵單晶生長裝置包括生長容器、設置在生長容器外的機架及生長容器內的加熱裝置。生長容器筒體由內筒體和纏繞在內筒體外壁的扁鋼絲或扁鋼帶組成；機架用于支撐生長容器并固定生長容器端蓋以抵消容器內的超高壓所造成的軸向力；加熱裝置用于加熱生長容器內的氨溶劑；生長容器內部所有與氨溶劑接觸的部位均存在防腐蝕襯套或防腐蝕層。所述氮化鎵單晶生長方法通過在生長容器內設置隔板，將生長容器分割為生長區和原料區，加熱裝置分別加熱生長區和原料區，使生長區和原料區之間存在溫度差，從而使超臨界氨溶劑在生長容器內產生對流以促使氮化鎵單晶不斷生長。本申請氮化鎵單晶生長容器可以突破現有技術限制，內徑達φ300mm及以上，可實現4”及以上氮化鎵單晶的規模化生產，進而大大降低氮化鎵單晶成本。

技術領域

本發明涉及晶體生長技術領域，更具體地說，涉及一種氮化鎵單晶生長裝置及生長方法。

背景技術

氮化鎵(GaN)具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數小等性能，使其在光電子器件、電力電子、射頻微波器件、激光器和探測器等方面展現出巨大的應用潛力。

用于制造GaN單晶的方法有HVPE(氫化物氣相外延)法、鈉熔融法、氨熱法等，氨熱法生長GaN單晶具有晶體缺陷密度低(質量高)、高產出、晶體可以全方位生長的特點，與水熱法生長人工水晶原理相似，氨熱法更具備高品質GaN單晶的工業化生產前景。

與水熱法生長人工水晶需要水晶釜類似，氨熱法生長GaN單晶也需要生長容器，不同之處在于氨熱法生長GaN單晶所需的生長容器設計參數更高，為～200MPa、650℃，現有技術采用高溫鎳基合金制造GaN單晶生長容器，受限于高溫鎳基合金鑄錠的最大重量及加工水平，現階段GaN單晶生長容器內徑僅能做到φ300mm以下，僅能實現4”規格GaN單晶的批量生產，且成本較高，限制了GaN單晶、特別是大尺寸GaN單晶的工業化生產及降低成本。

發明內容

有鑒于此，本發明提供一種氮化鎵單晶生長裝置及生長方法，以實現4”及以上氮化鎵單晶的規模化生產，進而大大降低氮化鎵單晶成本。

一種氮化鎵單晶生長裝置，包括生長容器、設置在生長容器外的機架及生長容器內的加熱裝置。

生長容器包括端蓋和筒體，端蓋和筒體組成的密閉空間為氮化鎵單晶提供生長環境；

機架用于支撐生長容器并固定生長容器端蓋以抵消生長容器內的超高壓所造成的軸向力；

加熱裝置用于加熱生長容器內的氨溶劑，使氨溶劑處于亞臨界/超臨界狀態；

生長容器內部所有與氨溶劑接觸的部位均存在防腐蝕襯套或防腐蝕層。

可選的，所述生長容器筒體由內筒體和纏繞在內筒體外壁的預應力扁鋼絲或扁鋼帶組成，所述內筒體由高強度炮鋼鍛件、低合金鋼鍛件或鋼板、不銹鋼鍛件或鋼板、或不銹鋼復合板制造，所述扁鋼絲材質為彈簧鋼、扁鋼帶材質為低合金鋼。

可選的，所述生長容器端蓋由高強度炮鋼鍛件、低合金鋼鍛件或鋼板、不銹鋼鍛件或鋼板、或不銹鋼復合板制造。

可選的，所述生長容器內筒體和端蓋設置有水冷槽或水冷板，以冷卻生長容器筒體和端蓋，所述生長容器筒體和端蓋金屬溫度不超過425℃。

可選的，所述密封結構采用O型環、B形環、C形環、Bridgman密封、Grayloc密封、楔形環密封等，或上述密封中的一種多個組合，或兩種及以上組合的密封形式，密封結構保證生長容器在真空、高溫超高壓工況下的密封性能，泄漏率≤1.0×10^-12Pa·m³/s。

可選的，所述機架為由立柱、半圓梁等經預應力扁鋼絲纏繞后組成的部件。