一種氮化物體單晶材料的生長裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，特別涉及一種通過調(diào)控原材料的供給速度提高氮化物體單晶材料質(zhì)量的生長裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]GaN作為第三代半導(dǎo)體材料代表材料之一，由于其具有寬帶隙、高耐壓、高熱導(dǎo)等特點，在UV探測器、白光和彩光LEDs、LDs和高頻高功率器件領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價值，吸引了廣泛的關(guān)注。
[0003]為了實現(xiàn)器件性能的提高和穩(wěn)定性的增強(qiáng)，使用低位錯密度的GaN單晶襯底是最有效的途徑。GaN的理論熔點是2500°C，N相應(yīng)的分解壓力估計為45000atm，這意味著傳統(tǒng)的Si單晶生長方法(提拉法)不適用于GaN單晶生長。由于缺少GaN同質(zhì)襯底，目前生長GaN體單晶一般采用異質(zhì)外延的方法，不可避免地造成熱失配和晶格失配。
[0004]目前，制備GaN物體單晶材料的主要方法有氫化物氣相外延技術(shù)(HVPE)、高溫高壓法(HPNS)、鈉流法(Na Flux)和氨熱法(Ammothermal growth)等。HVPE是目前商業(yè)化廣泛使用的方法，雖然生長速率快，但是存在著應(yīng)力大和位錯高(16 cm—2)和等難以解決的根本問題；HPNS和氨熱法雖然能生長出位錯較低的高質(zhì)量GaN晶體，但其對生長條件和生長設(shè)備要求較苛刻，批量化生產(chǎn)較為困難。而Na Flux法的生長條件較為適中(700?1000°C，4?5 MPa)，且晶體質(zhì)量較好，是批量生產(chǎn)高質(zhì)量GaN體單晶材料的可行方法。研宄表明，通過Na Flux法生長出高質(zhì)量、大尺寸的GaN體單晶材料，進(jìn)而切割成各種所需的襯底材料，是最經(jīng)濟(jì)有效的途徑。
[0005]研宄表明，生長溶液中Ga/Na比例對GaN單晶的生長習(xí)性有著重要的影響。隨著溶液中Ga含量的增加，晶體外觀形態(tài)由片狀向柱狀及錐狀變化。傳統(tǒng)的反應(yīng)釜裝置是一個腔室，原材料和籽晶混合后直接進(jìn)行生長。這樣一來，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，溶液中原材料的比例不可避免地改變，相應(yīng)地，晶體的生長習(xí)性也隨之改變，從而影響體單晶的質(zhì)量和產(chǎn)率。同時，由于無法在中途添加原材料，對生長習(xí)性無法實時調(diào)控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種氮化物體單晶材料的生長裝置，通過設(shè)置與晶體生長區(qū)分開的金屬源預(yù)加熱區(qū)，實現(xiàn)了生長過程中原材料的在線供給，以調(diào)控生長過程原材料的配比，從而調(diào)控氮化物體單晶材料的生長習(xí)性，改進(jìn)氮化物體單晶材料的晶體質(zhì)量，有效克服了傳統(tǒng)反應(yīng)釜無法實現(xiàn)生長習(xí)性調(diào)控的缺點。
[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型采取以下技術(shù)方案:
[0008]一種氮化物體單晶材料的生長裝置，包括提供晶體生長的反應(yīng)釜與提供N源的氮氣罐，氮氣罐通過管路與反應(yīng)釜連接，反應(yīng)釜內(nèi)底部放置有原材料溶液與晶種模版，還包括帶有金屬源的金屬源預(yù)加熱區(qū)，該金屬源預(yù)加熱區(qū)通過加熱器加熱，該金屬源預(yù)加熱區(qū)上設(shè)有出口端，該出口端上設(shè)有用于調(diào)控金屬流量的開關(guān)，金屬源預(yù)加熱區(qū)內(nèi)的金屬源經(jīng)出口流至反應(yīng)釜內(nèi)，該金屬源預(yù)加熱區(qū)內(nèi)置在反應(yīng)釜中且通過管路與氮氣罐連通，該金屬源預(yù)加熱區(qū)設(shè)在反應(yīng)釜內(nèi)的原材料溶液和晶種模板所在位置的其他區(qū)域。
[0009]一種氮化物體單晶材料的生長裝置，包括提供晶體生長的反應(yīng)釜與提供N源的氮氣罐，氮氣罐通過氣管與反應(yīng)釜連接，反應(yīng)釜內(nèi)底部放置有原材料溶液與晶種模版，還包括帶有金屬源的金屬源預(yù)加熱區(qū)，該金屬源預(yù)加熱區(qū)通過加熱器加熱，該金屬源預(yù)加熱區(qū)上設(shè)有出口端，該出口端上設(shè)有用于調(diào)控金屬流量的開關(guān)，金屬源預(yù)加熱區(qū)設(shè)在反應(yīng)釜外且出口端與反應(yīng)釜連接，金屬源預(yù)加熱區(qū)內(nèi)的金屬源經(jīng)出口流至反應(yīng)釜內(nèi)，金屬源預(yù)加熱區(qū)通過管路與氮氣罐連通。
[0010]所述金屬源預(yù)加熱區(qū)的出口端內(nèi)設(shè)置有用于過濾未溶解金屬及雜質(zhì)的過濾器。
[0011]所述金屬源預(yù)加熱區(qū)至少設(shè)置一個。
[0012]所述調(diào)控金屬流量的開關(guān)為電子管段式流量開關(guān)，或者是擋片式流量開光，或者是表顯流量開關(guān)。
[0013]所述置在反應(yīng)釜底部的晶種模版是藍(lán)寶石襯底、碳化硅襯底或者硅襯底，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；所述的襯底可以是c面或非極性面或半極性面。
[0014]所述金屬源為金屬鎵、金屬鋁、金屬銦、堿金屬和堿土金屬中的一種或一種以上。
[0015]本實用新型的優(yōu)勢在于:
[0016]1.通過流量開關(guān)實現(xiàn)了金屬源的可控添加，實現(xiàn)了原材料在生長過程中的配比調(diào)控，從而實現(xiàn)了氮化物體單晶材料生長習(xí)性的可控。
[0017]2.由于可實現(xiàn)生長習(xí)性調(diào)控，生長條件穩(wěn)定，晶體的生長處于動態(tài)平衡過程，抑制了其他相的產(chǎn)生，有利于提高氮化物體單晶材料的晶體質(zhì)量和產(chǎn)率。
[0018]3.本裝置設(shè)定在未達(dá)到晶體生長所需的溫度和壓力前，金屬源流量開關(guān)關(guān)閉，從而避免了金屬鎵與N的預(yù)反應(yīng)，能得到高質(zhì)量的氮化物體單晶材料，并提高金屬源的有效利用率。
【附圖說明】
[0019]附圖1為本實用新型實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]附圖2為本實用新型實施例二的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]附圖3為本實用新型實施例三的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0022]為了便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的理解，下面結(jié)合附圖對本實用新型作進(jìn)一步的描述。
[0023]本實用新型通過設(shè)置與晶體生長區(qū)分開的金屬源預(yù)加熱區(qū)，實現(xiàn)了生長過程中原材料的在線供給，以調(diào)控生長過程原材料的配比，從而調(diào)控氮化物體單晶材料的生長習(xí)性，改進(jìn)氮化物體單晶材料的晶體質(zhì)量，有效克服了傳統(tǒng)反應(yīng)釜無法實現(xiàn)生長習(xí)性調(diào)控的缺點。
[0024]實施例一，如附圖1所示，一種氮化物體單晶材料的生長裝置，包括提供晶體生長的反應(yīng)釜20與提供N源的氮氣罐30，氮氣罐30通過管路與反應(yīng)釜連接，反應(yīng)釜20內(nèi)底部放置有原材料溶液21與晶種模版22，還包括帶有金屬源11的金屬源預(yù)加熱區(qū)10，該金屬源預(yù)加熱區(qū)10通過加熱器加熱，該金屬源預(yù)加熱區(qū)10上設(shè)有出口端，該出口端上設(shè)有用于調(diào)控金屬流量的開關(guān)12，出口端內(nèi)設(shè)有用于過濾未溶解金屬及雜質(zhì)的過濾器13，通常選擇為網(wǎng)狀過濾器，金屬源預(yù)加熱區(qū)內(nèi)的金屬源經(jīng)出口流至反應(yīng)釜內(nèi)，該金屬源預(yù)加熱區(qū)內(nèi)置在反應(yīng)釜中，并且該金屬源預(yù)加熱區(qū)與氮氣罐和反應(yīng)釜連接的管路相通，即該氮氣罐通過管路與可以直接將氮氣排到金屬源預(yù)加熱區(qū)內(nèi)，該金屬源預(yù)加熱區(qū)設(shè)在反應(yīng)釜內(nèi)的原材料溶液和晶種模板所在位置的其他區(qū)域，確保該金屬源預(yù)加熱區(qū)與用于晶體生長區(qū)的原材料溶液和晶種模板所在位置不會重疊，使金屬源預(yù)加熱區(qū)與原材料溶液和晶種模板的位置相互分開。氮氣罐反應(yīng)釜中的晶體生長過程中提供壓力控制和N原材料。
[0025]在實施例一中，將金屬源預(yù)加熱區(qū)內(nèi)置在反應(yīng)釜中，當(dāng)反應(yīng)釜20中氮氣壓力和溫度達(dá)到氮化鎵生長的條件時，才打開流量開關(guān)12，并控制好流量，使金屬源預(yù)加熱區(qū)內(nèi)的液態(tài)金屬鎵11通過網(wǎng)狀過濾器13進(jìn)入反應(yīng)釜20底部，同時，旋轉(zhuǎn)反應(yīng)釜20使金屬鎵與金屬鈉混合均勻，使反應(yīng)體系達(dá)