[發明專利]一種氮化物單晶生長裝置及方法

有效

• 申請號: 202011133464.1
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112430848B
• 公開（公告）日: 2021-09-28
• 發明（設計）人: 王智勇;黃瑞;蘭天;李穎
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: C30B29/40
• 分類號: C30B29/40;C30B15/34;C30B15/14;C30B15/20;C30B15/02
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 鄭朝然

本發明實施例提供一種氮化物單晶生長裝置及方法，包括：坩堝位于反應室內，加熱器位于坩堝外表面，每一單晶生長模塊位于坩堝內，坩堝用于放置目標金屬熔體，第一電極位于所述坩堝內；對于任一單晶生長模塊，導模板位于所述坩堝內，籽晶夾持器的下端與籽晶桿的上端連接，籽晶桿的下端與目標氮化物籽晶的上端連接，目標氮化物籽晶的下端位于導模板的上方，第二電極位于籽晶桿的兩側；第一電極與目標電源的負極連接，第二電極與所述目標電源的正極連接。本發明實施例通過施加電場和導模板相結合的方式，實現了在目標氮化物籽晶上生長目標氮化物單晶的功能，這種方式可以拉制出大尺寸單晶。

技術領域

本發明涉及半導體材料與生產設備技術領域，尤其涉及一種氮化物單晶生長裝置及方法。

背景技術

以GaN基半導體材料為代表的寬禁帶第三代半導體材料憑借其具有發光效率高、導熱性能好、耐高溫、抗輻射、強度和硬度高等特性，近年來被廣泛應用于高效率藍綠光發光二極管(LaserEmitting Diode，簡稱LED)和激光二極管(LaserDiode，簡稱LD)等領域。當前，GaN晶體的生長方式主要包括氫化物氣相外延(Hydride Vapor-Phase Epitaxy，簡稱HVPE)、氨熱法生長(Ammonothermal Growth)、高溫高壓法(High-Pressure SolutionGrowth)以及Na助熔劑法(NaFluxMethod)。

HVPE是一種GaN塊體單晶的生長方法，首先將金屬Ga加熱到800℃，用N₂或者H₂將HCl氣體稀釋后，流過Ga熔體的上方，發生反應：

2HCl+2Ga→2GaCl+H₂

生成的GaCl會作為反應所需的Ga源，NH₃作為N源，這兩種氣體在1000～1100℃下發生反應：

GaCl+NH₃→GaN+HCl+H₂

生成的GaN會沉積在襯底上。這種方法制作的GaN單晶會出現氣孔或空洞等缺陷，只能滿足低性能器件的要求。

氨熱法主要是在高壓釜內進行的，Ga源采用GaN或Ga，在高壓釜內裝入液氨及少量的NH₄Cl或KNH₂作為礦化劑，反應很難控制，生長速率緩慢且生長出來的晶體非常小。高溫高壓法的原理是在極高的N₂壓力下，使Ga在高溫下溶入足夠多的N₂，然后通過降溫或在低溫區的Ga溶液中實現氮過飽和，從而實現GaN單晶生長。該方法需要高溫高壓，對設備要求苛刻，實現商業應用的可能性不大。Na助熔劑法中Na可以起到催化劑的作用，可以極大地提高N₂分子的溶解度，降低所需的壓力和溫度，可以在較低的N₂和較低的溫度下實現GaN晶體生長。該方法的缺點就是成核密度大，很難生長出大塊單晶，生長速率太低，離實用化還很遠。由于GaN熔點和飽和蒸氣壓高，很難制備大尺寸的GaN晶圓。目前，商業化的GaN晶圓主要以2寸或3寸自支撐襯底為主。采用金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)在大尺寸Si晶圓上外延一層GaN層相較在GaN襯底上外延存在位錯、穿孔、V型缺陷、裂紋等缺陷，不利于制備高性能的光電器件。

從以上技術方案可以看出，傳統方法無法制備出大尺寸的GaN單晶，而采用外延方式制備的Si基GaN晶圓存在各種缺陷。

發明內容

本發明實施例提供一種氮化物單晶生長裝置及方法，用以解決現有技術中無法制備出大尺寸單晶的缺陷，實現大尺寸的單晶制造。

本發明實施例提供一種氮化物單晶生長裝置，包括：反應室、坩堝、加熱器、第一電極和單晶生長模塊，其中，所述反應室為密閉的，所述坩堝位于所述反應室內，所述加熱器用于對所述坩堝加熱，每一單晶生長模塊位于所述坩堝內，所述坩堝用于放置目標金屬熔體，所述第一電極的至少部分用于浸沒于所述目標金屬熔體中，所述目標金屬為與所述目標氮化物中的金屬；