温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统

1.本实用新型涉及一种氮化物单晶生长系统，特别涉及一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统，属于半导体单晶生长设备技术领域。


背景技术：

2.氮化镓作为第三代半导体核心材料之一，具有禁带宽度大，饱和电子迁移率高，击穿场强高，热导率高，介电常数小，抗辐射性能强，化学稳定性好等优良特性。氮化镓在光学器件和大功率电子器件上都有广泛的应用，如发光二极管(led)、激光二极管(ld)和大功率晶体管。目前，生产氮化镓的方法主要有四种，高压熔液法，氢化物气相外延法，氨热法，助熔剂法。但是，高压熔液法，氢化物气相外延法，氨热法和助熔剂法。而助熔剂法作为一种近热力学平衡态下的生长方法，具有诸多优势，是目前国际上公认的获得低成本、高质量、大尺寸氮化镓体单晶的生长方法之一。
3.通常，助熔剂法氮化镓体单晶的一般生长过程为：选取适当原料(主要为金属镓、金属钠、碳添加剂等)成分配比，将装有生长原料和氮化镓籽晶的坩埚置于生长炉中，在一定生长温度、一定生长压力的氮气氛围，通过控制不同的生长时间，在氮化镓籽晶上液相外延获得一定厚度的氮化镓体单晶；然而，在生长过程中，生长熔液液面即气体和熔液界面随之下降。氮化镓生长的高温区和低温区温度梯度随着生长过程中原料的消耗而不断降低，高温区的生长温度控制的区域改变，氮源的溶解度下降，从而使得生长过程氮源在温度梯度/溶解度梯度作用下的传质输运过程受到限制，另外，由于氮化镓生长的温度场分布不均，生长的氮化镓质量不均一，严重影响着助熔剂氮化镓的产业化。现有技术中利用坩埚下降法控制温度梯度，但该方法不可避免地在移动过程中，会对生长原料中产生机械振动，从而对氮化镓生长产生干扰，导致所生长的氮化镓单晶质量均一性较差。


技术实现要素：

4.本实用新型的主要目的在于提供一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统，以克服现有技术中的不足。
5.为实现前述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案包括：
6.本实用新型实施例提供了一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统，包括：助熔剂法氮化物单晶生长设备和升降机构，所述助熔剂法氮化物单晶生长设备包括可供氮化物单晶生长的生长腔室以及设置在所述生长腔室内的反应容器、第一加热机构和第二加热机构，
7.所述反应容器至少用于承载氮化物单晶生长所需的籽晶和/或衬底以及氮化物单晶生长所需的生长原料，所述第一加热机构和第二加热机构与所述反应容器相配合，所述第一加热机构至少用于在所述反应容器内部的第一区域形成第一温区，所述第二加热机构至少用于在所述反应容器内部的第二区域形成第二温区；所述升降机构与所述第一加热机构和第二加热机构中的至少一者传动连接，并至少用于驱使所述第一加热机构和第二加热
机构中的至少一者沿指定方向升降，其中，所述指定方向为熔融态的生长原料的液面下降的方向。
8.与现有技术相比，本实用新型的优点包括：
9.1)本实用新型实施例提供的一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统，结构简单，使用、操作和维护简便，且制备和改装的成本低廉，便于推广和应用。
10.2)本实用新型实施例提供的一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统，通过控制温度场随着熔液下降而降低，从而使反应容器内的高温区的氮源溶解度始终保持在较高的水平，低温区的氮源溶解度始终保持在相对低的状态，从而可以促使反应容器内的生长原料内的有氮源保持高速的传质输运，从而可以保障氮化物单晶的持续高速度生长，且使氮化物单晶的质量均一性更好；
11.3)本实用新型实施例提供的一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统，能够有效实现生长腔室内的热场均匀化，更进一步提高氮化物单晶的质量均一性。
附图说明
12.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1是本实用新型一典型实施案例中提供的一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统的结构示意图；
14.图2是本实用新型一典型实施案例中提供的又一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统的结构示意图。
具体实施方式
15.鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本实用新型的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
16.本实用新型实施例提供的一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统，能够使温度场(可简称为温场)随着生长原料液面下降而降低，从而使高温区氮源溶解度始终保持在较高的水平，低温区氮源溶解度保持在相对低的状态，从而能够保持氮源的传质输运，进而能够使生长设备内持续、高速度进行氮化物单晶的生长，且所生长获得的氮化物单晶的质量均一性更好。
17.本实用新型实施例提供了一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统，包括：助熔剂法氮化物单晶生长设备和升降机构，所述助熔剂法氮化物单晶生长设备包括可供氮化物单晶生长的生长腔室以及设置在所述生长腔室内的反应容器、第一加热机构和第二加热机构，
18.所述反应容器至少用于承载氮化物单晶生长所需的籽晶和/或衬底以及氮化物单晶生长所需的生长原料，所述第一加热机构和第二加热机构与所述反应容器相配合，所述第一加热机构至少用于在所述反应容器内部的第一区域形成第一温区，所述第二加热机构至少用于在所述反应容器内部的第二区域形成第二温区；所述升降机构与所述第一加热机
构和第二加热机构中的至少一者传动连接，并至少用于驱使所述第一加热机构和第二加热机构中的至少一者沿指定方向升降，其中，所述指定方向为熔融态的生长原料的液面下降的方向。
19.在一具体实施方式中，所述第一加热机构设置在第一水平位置处，所述第二加热机构设置在第二水平位置处，其中，所述第一加热机构和第二加热机构能够在所述升降机构的驱使下而使自身所处的水平位置发生改变，但所述第一水平位置始终高于第二水平位置，并且，所述第一温区的温度大于所述第二温区的温度。
20.在一具体实施方式中，所述第一加热机构包括连续设置的第一发热体，所述第一发热体为环绕所述反应容器设置的环形结构。
21.在一具体实施方式中，所述第一加热机构包括多个间隔设置的第一发热体，多个所述第一发热体与环绕所述反应容器设置，其中，多个所述第二发热体彼此独立设置，或者，多个所述第一发热体依次串联。
22.在一具体实施方式中，所述第二加热机构包括连续设置的第二发热体，所述第二发热体为环绕所述反应容器设置的环形结构。
23.在一具体实施方式中，所述第二加热机构包括多个间隔设置的第二发热体，多个所述第二发热体与环绕所述反应容器设置，其中，多个所述第一发热体彼此独立设置，或者，多个所述第二发热体依次串联。
24.在一具体实施方式中，所述第一发热体和第二发热体均包括电阻丝。
25.在一具体实施方式中，所述的生长系统还包括第一旋转驱动机构，所述第一旋转驱动机构与所述第一加热机构和/或第二加热机构传动连接，并至少用于驱使所述第一加热机构和/或第二加热机构环绕所述反应容器转动或自旋转。
26.在一具体实施方式中，所述助熔剂法氮化物单晶生长设备包括保温容器，所述保温容器内形成所述的生长腔室，以及，所述保温容器还与第二旋转驱动机构传动连接，并能够在所述第二旋转驱动机构的驱使下自旋转。
27.在一具体实施方式中，所述的生长系统还包括氮气供给机构，所述氮气供气机构与所述生长腔室相连通，并至少用于向所述生长腔室内通入氮气。
28.如下将结合附图以及具体实施案例对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明，除非特别说明的之外，本实用新型实施例中所包含的各组成部分或机构均可以通过市购获得，应理解的，本实用新型的实施例主要介绍和解释本实用新型提供的一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统的结构，在此不对其所包含的各组成部分的材质、尺寸等进行限定。
29.实施例1
30.请参阅图1，一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统，包括助熔剂法氮化物单晶生长设备和升降机构(图中未示出)，所述助熔剂法氮化物单晶生长设备包括保温容器100、反应容器200、第一加热机构300和第二加热机构400，所述保温容器100内部具有可供氮化物单晶生长的生长腔室110，所述反应容器200、第一加热机构300和第二加热机构400设置在所述生长腔室110内，所述第一加热机构300和第二加热机构400分别独立地与所述反应容器300相配合，所述第一加热机构300与所述升降机构传动连接，并能够沿预定方向做直线运动，其中该预定方向为反应容器200内熔融态的生长原料的液面的下降方向，一般
为所述反应容器200的轴线方向。
31.在本实施例中，所述反应容器200至少用于承载氮化物单晶生长所需的籽晶和/或衬底210以及氮化物单晶生长所需的生长原料220，所述生长原料220为熔融态，所述第一加热机构300至少用于在所述反应容器300内部的第一区域形成第一温区，所述第二加热机构400至少用于在所述反应容器300内部的第二区域形成第二温区，其中，所述第一区域沿所述反应容器的轴线方向位于所述第二区域的上方，即更靠近熔融态的生长原料的液面一侧，可以理解的，基由所述第一加热机构300和第二加热机构400分别形成的第一温区和第二温区，且所述第一温区和第二温区的温度不同，从而在所述生长腔室110内形成用于促进反应容器300内进行氮化物晶体液相外延生长的温度场，当所述第一加热机构300在所述升降机构的驱使下沿预定方向运动时，相应地，所述温度场也随着所述第一加热机构300的运动而发生相应的移动(可以理解的，该移动并非机械结构的移动)。
32.在本实施例中，与所述第一加热机构300对应的第一温区的温度高于与所述第二加热机构400对应的第二温区的温度，由于反应容器200内第一区域和第二区域对应的温度不同，从而在使所述反应容器中第一区域和第二区域的生长原料内的氮源溶解度也不相同，由于氮源溶解度的不同，使得所述反应容器内的生长原料中的氮源会在浓度差(溶解度不同而产生的浓度差)的驱使下保持高速的传质输运，从而提高了生长原料中的氮源的均匀度。
33.在本实施例中，所述第一加热机构300设置在第一水平位置处，所述第二加热机构400设置在第二水平位置处，其中，所述第一加热机构300能够在所述升降机构的驱使下而使自身所处的水平位置发生改变，但所述第一水平位置始终高于第二水平位置，并且，所述第一温区的温度始终大于所述第二温区的温度。
34.在本实施例中，所述第一加热机构300包括连续设置的第一发热体310，所述第一发热体为环绕所述反应容器200设置的环形结构，或者，所述第一加热机构300包括多个间隔设置的第一发热体310，多个所述第一发热体310与环绕所述反应容器200设置，其中，多个所述第一发热体310彼此独立设置，或者，多个所述第一发热体310依次串联。
35.在本实施例中，所述第二加热机构400包括连续设置的第二发热体410，所述第二发热体410为环绕所述反应容器200设置的环形结构，或者，所述第二加热机构400包括多个间隔设置的第二发热体410，多个所述第二发热体410与环绕所述反应容器200设置，其中，多个所述第二发热体410彼此独立设置，或者，多个所述第二发热体410依次串联。
36.可以理解的，当第一发热体和第二发热体设置有一个时，其优选设置为圆环形结构的，从而使其发热面连续且均匀，从而使形成的第一温度区的温度均匀性更好，从而更有利于生长形成质量均匀性更好的氮化物单晶；而当第一发热体和第二发热体设置有多个时，所述第一发热体和第二发热体也可以是套设在反应容器外周的圆环形结构，当然，多个所述第一发热体和多个所述第二发热体可以是在反应容器的周向方向上不连续，但优选为使个所述第一发热体和多个所述第二发热体在反应容器的周向上均匀地间隔设置(即等间距分布)，同样的，多个发热体均匀分布更有利于生长获得质量均匀性更好的氮化物单晶。
37.在本实施例中，至少所述第一加热机构300是设置在生长腔室110，但鉴于第一加热机构300需沿预定方向升降运动，因此，所述第一加热机构300与生长腔室110之前不存在固定连接关系，所述第一加热机构位置的固定可以通过升降机构实现。
38.在本实施例中，所述第一发热体310和第二发热体410均可以是电阻丝等，当然，电阻丝发热需要的电源可以通过外接的电源的方式获得，在此不对其具体的连接结构和实现方式进行限定，其可以采用本领域技术人员已知的方式实现。
39.在本实施例中，实现所述第一加热机构形成的第一温区的温度大于第二加热机构形成的第二温区，可以是通过使第一加热机构的加热效率大于第二加热机构的加热效率，例如，通入所述第一加热机构内的电流更大、第一加热机构的加热面积更大、第一加热机构所包含的第一加热体的数量更多等方式实现，在此不做具体的限定。
40.在本实施例中，为了便于第一加热机构300与升降机构进行传动配合，所述升降机构的运动部件(例如活塞杆)可以直接与第一加热机构进行固定连接，当然也可以通过设置转接支架或者转接结构实现，在此不做具体的限定，其可以采用本领域技术人员已知的方式实现，需要说明的是，图1中升降机构的升降方向600与反应容器200的轴线方向平行。
41.可以理解的，所述第二加热机构400也可以与升降机构传动连接，但最终要保证所述第一加热机构和第二加热机构形成的温度场随反应容器内生长原料的液面的下降而下降，当然，所述第二加热机构也可以是固定设置的，仅通过第一加热机构的升降即可以实现温度场随生长原料的液面的下降而下降。
42.在本实施例中，所述升降机构优选设置在所述生长腔室110的外部，所述升降机构可以是本领域技术人员已知的直线驱动机构，例如，所述升降机构可以是直线驱动电机或直线驱动气缸等，所述反应容器200可以是坩埚等。
43.在本实施例中，所述的生长系统还包括氮气供给机构(图中未示出)，所述氮气供气机构与所述生长腔室110相连通，并至少用于向所述生长腔室内通入氮气，氮气的输送方向为图1中的“500”，所述氮气作为氮化物单晶液相外延生长的氮源。
44.以本实用新型实施例提供的一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统进行助熔剂法氮化镓单晶的生长过程主要包括：
45.提供如图1所示的一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统；
46.采用蓝宝石、sic等异质衬底或者hvpe氮化镓籽晶等同质衬底作为生长衬底并置于反应容器200内；
47.选取适当的生长原料成分配比，所述生长原料主要为金属镓、金属钠、碳添加剂等，生长原料中的na/ga的值为2：1-10：1，将所述生长原料置于反应容器200中，并将所述反应容器200置于具有第一加热机构300和第二加热机构400的生长腔室110内，且使所述第一加热机构300与升降机构传动连接，同时，向所述生长腔室110内通入氮气；
48.于800℃、3-5mpa、氮气氛围条件下进行氮化镓单晶的液相外延生长，在所述氮化镓单晶的生长过程中，使第一加热机构300沿反应容器200内生长原料的液面的下降而下降，从而保持反应容器内的氮源的传质输运，以持续进行氮化镓单晶的液相外延生长，进而获得质量均匀的氮化镓体单晶。
49.实施例2
50.请参阅图1和图2，本实施例中的一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统的结构组成与实施例1基本相同，在此不再对其相同的结构部分进行赘述，本实施例中的生长系统还包括旋转驱动机构(图中未示出)，所述旋转驱动机构与所述第一加热机构300和/或第二加热机构400传动连接，并用于驱使所述第一加热机构300和/或第二加热机构400围绕
所述反应容器200转动，转动方向如图2中的“700”，从而实现所述生长腔室11内部的热场均匀化，从而更有利于获得质量均一的半导体晶体。
51.在本实施例中，优选使所述第一加热机构300和第二加热机构400均可以同步或不同步的围绕所述反应容器200转动或旋转，驱使所述第一加热机构300和第二加热机构400转动或旋转的旋转驱动机构可以是同一个，也可以是不同的。
52.在本实施例中，当仅仅使所述第一加热机构300与旋转驱动机构传动连接时，所述第一加热机构300同时与旋转驱动机构、升降机构传动连接，需要说明的是，所述旋转驱动机构与升降机构可以经一联轴器与所述第一加热机构传动连接，该联轴器可以是花键联轴器等，可以理解的，通过联轴器实现被驱动的机构独立、同时进行直线运动和旋转运动的连接结构为本领域技术人员已知的结构和方式，在此不对其具体的连接结构和方式进行具体的说明和限定。
53.当然，为了避免升降机构和旋转驱动机构的运动部件与保温容器相互影响，可以在所述升降机构和旋转驱动机构的运动部件与保温容器之间设置空气轴承或其他轴承结构来消除两者之间的运动影响，设置的空气轴承或其他轴承结构与生长设备10等结构的配合可以通过本领域技术人员已知的方式来实现，在此不做具体的限定和说明。
54.在本实施例中，所述旋转驱动机构优选设置在所述生长腔室110外部，其中，所述旋转驱动机构可以是本领域技术人员已知的旋转气缸或旋转电机等。
55.在本实施例中，通过使第一加热机构和/或第二加热机构400相对反应容器200转动或旋转的方式，使得生长腔室110内的温度场均匀性显著提升,避免了生长条件的扰动，从而可以提升氮化镓等半导体的结晶质量。
56.本实用新型实施例提供的一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统，通过控制温度场随着熔液下降而降低，从而使反应容器内的高温区的氮源溶解度始终保持在较高的水平，低温区的氮源溶解度始终保持在相对低的状态，从而可以促使反应容器内的生长原料内的有氮源保持高速的传质输运，从而可以保障氮化物单晶的持续高速度生长，且使氮化物单晶的质量均一性更好；并且，通过控制温度场来控制温度梯度的连续处于较高的生长状态，避免了坩埚下降过程对于生长体系的机械扰动而导致氮化镓单晶的生长质量降低的问题。
57.本实用新型实施例提供的一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统，能够有效实现生长腔室内的热场均匀化，更进一步提高氮化物单晶的质量均一性；并且，本实用新型实施例提供的一种温场下降的高质量氮化物单晶的生长系统，结构简单，使用、操作和维护简便，且制备和改装的成本低廉，便于推广和应用。
58.应当理解，上述实施例仅为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。