一种大尺寸氮化镓单晶生长设备及大尺寸体块氮化镓单晶的生长方法

摘要

本发明涉及一种大尺寸氮化镓单晶生长设备及大尺寸体块氮化镓单晶的生长方法，包括生长设备炉体，生长设备炉体包括作为炉膛部分的石英管，所述石英管一端设置有进气法兰，石英管的另一端设置有出气法兰，石英管上设置有至少一段电阻加热恒温区，所述电阻加热恒温区与出气法兰之间的石英管上设置有感应加热结晶区，所述感应加热结晶区包括石英管外围的电磁感应线圈以及设置在石英管内壁与电磁感应线圈配合产生热量的感应材料层。本发明的大尺寸氮化镓单晶生长设备创造性地增加了感应加热结晶区，此区域由感应线圈和温场感应材料构成，构建出适合氮化镓单晶生长的温场，提高氮化镓晶体的生长速率及质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大尺寸氮化镓单晶生长设备及大尺寸体块氮化镓单晶的生长方法，属于晶体生长设备技术领域。

背景技术

随着技术的发展，传统的Si、GaAs半导体器件的光学和电学性能已经发展到了极限，无法满足新型短波长发光器件和高频器件的发展，对高温、高频、高压以及抗辐射、能发射蓝光等方面提出的新要求。以GaN为代表的第三代半导体材料具有禁带宽度大、热导率大、击穿电场高、介电常数小、电子饱和漂移速度高、良好的化学稳定性、抗辐射能力强等特性，得到了广泛的研究，在蓝光二极管、蓝光激光器、紫外探测器等发光器件和高温、高频、大功率微电子器件方面具有非常大的应用潜力。

目前氮化镓单晶生长常用设备为HVPE设备，其主要为多段电阻加热形成几段不同温度的恒温区，结晶区也是一个温度在950到1100度之间的特定恒温区，温度梯度很小或者没有，这样导致氮化镓生长窗口很小，且只适合生长800μm以下的氮化镓单晶薄膜，导致产业化效率低下，晶体位错密度高等。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种大尺寸氮化镓单晶生长设备及大尺寸体块氮化镓单晶的生长方法，可以有效解决氮化镓晶体生长传统设备生长窗口小，只适合生长氮化镓单晶薄膜的问题。

为解决以上问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种大尺寸氮化镓单晶生长设备，包括生长设备炉体、气体控制系统、尾气处理系统，气体控制系统、尾气处理系统分别通过气体管路与生长设备炉体连接；

所述生长设备炉体包括作为炉膛部分的石英管，所述石英管一端设置有进气法兰，石英管的另一端设置有出气法兰，石英管上设置有至少一段电阻加热恒温区，所述电阻加热恒温区与出气法兰之间的石英管上设置有感应加热结晶区，所述感应加热结晶区包括石英管外围的电磁感应线圈以及设置在石英管内壁与电磁感应线圈配合产生热量的感应材料层，感应材料层为圆环形，感应加热结晶区的石英管内部或外部设置有保温材料层。

根据本发明优选的，所述感应材料层的材质为高密度石墨、钨、钼，所述保温材料层的材质为石墨保温材料、氧化锆保温材料、氧化铝保温材料。

根据本发明优选的，石英管上设置有2-4段电阻加热恒温区，电阻加热恒温区包括电阻加热器，电阻加热器设置在石英管的外围。

根据本发明优选的，电阻加热恒温区与感应加热结晶区之间具有间距，电阻加热恒温区与感应加热结晶区的加热部件彼此独立控制。

进一步优选的，电阻加热恒温区与感应加热结晶区之间的间距为6-50cm。

根据本发明优选的，电阻加热恒温区的石英管内放置有镓舟。

根据本发明优选的，电阻加热恒温区的温度为700℃—950℃，感应加热结晶区的温度为1000℃—1700℃。

利用大尺寸氮化镓单晶生长设备进行大尺寸体块氮化镓单晶生长的方法，包括步骤如下：

(1)电阻加热恒温区的镓舟内放置金属镓；

(2)密闭大尺寸氮化镓单晶生长设备，由气体控制系统从进气法兰通入含氯气氛、载气及氨气；

(3)含氯气氛与镓舟里面的金属镓反应生成GaCl气体，GaCl与氨气在感应加热结晶区反应，生成体块氮化镓晶体。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的大尺寸氮化镓单晶生长设备创造性地增加了感应加热结晶区，此区域由感应线圈和温场感应材料构成，构建出适合氮化镓单晶生长的温场。

2、本发明的大尺寸氮化镓单晶生长设备由于感应线圈与温场感应材料及保温的相互配合，可以调整出适合氮化镓晶体生长的温度场，通过可以调整温度梯度，提高氮化镓晶体的生长速率及质量。

3、本发明的大尺寸氮化镓单晶生长设备具有温度梯度可调的晶体生长环境，更加符合晶体生长热力学、晶体生长动力学。

附图说明

图1为本发明大尺寸氮化镓单晶生长设备的结构示意图。

其中：1进气法兰，2石英管，3电阻加热恒温区，4感应加热结晶区，5出气法兰，6电磁感应线圈。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1

如图1所示，一种大尺寸氮化镓单晶生长设备，可以有效解决氮化镓晶体生长传统设备生长窗口小，只适合生长氮化镓单晶薄膜的问题，从而生长出厚度在3毫米以上的体块氮化镓单晶。

包括生长设备炉体、气体控制系统、尾气处理系统，气体控制系统、尾气处理系统分别通过气体管路与生长设备炉体连接。

生长设备炉体包括作为炉膛部分的石英管2，石英管2左端设置有进气法兰1，石英管2右端设置有出气法兰5，石英管2上设置有至少一段电阻加热恒温区3，所述电阻加热恒温区3与出气法兰5之间的石英管2上设置有感应加热结晶区4，感应加热结晶区4包括在石英管2外的电磁感应线圈6以及设置在石英管2内壁可与电磁感应线圈6配合产生热量的感应材料层，感应加热结晶区4的石英管2内部或外部设置有保温材料层。电阻加热恒温区3可为一段恒温区，也可为几段恒温区，电阻加热恒温区3中放置镓舟及给镓舟内反应气体逐步加热，电阻加热恒温区3温度为700℃—950℃之间。

感应材料层的材质为高密度石墨、钨、钼，保温材料层的材质为石墨保温材料、氧化锆保温材料、氧化铝保温材料。电阻加热恒温区3的石英管2内放置有镓舟。一种新型氮化镓单晶生长设备的使用方法，在电阻加热恒温区3温度为700℃—950℃之间，感应加热结晶区4的温度在1000℃—1700℃之间。

感应加热结晶区4内的感应材料层的材质为高密度石墨，钨，钼等导电、耐高温材料制成，其感应材料层的形状主要为圆环状。感应材料层内径要大于籽晶直径，外径小于石英炉膛内径。保温材料层的材质为石墨保温材料、氧化锆保温材料、氧化铝保温材料等耐高温材料制成。其温度在1000℃—1700℃之间。

感应材料层在炉膛内，保温材料层可以在炉膛内，也可以在炉膛外，感应加热结晶区4的温度梯度由感应材料层和保温材料层共同构建。其感应材料的各种变形也在此专利保护范畴内。本发明在传统氮化镓单晶生长设备的基础上创造性的增加了感应加热结晶区4，此区域由感应线圈和温场感应材料构成，构建出适合氮化镓单晶生长的温场。依据此专利可变形为新型卧室氮化镓设备和新型立式氮化镓生长设备，也在此专利保护范畴。

实施例2

利用实施例1的大尺寸氮化镓单晶生长设备进行大尺寸体块氮化镓单晶生长的方法，包括步骤如下：

(1)电阻加热恒温区的镓舟内放置金属镓；

(2)密闭大尺寸氮化镓单晶生长设备，由气体控制系统从进气法兰通入含氯气氛、载气及氨气；

(3)含氯气氛与镓舟里面的金属镓反应生成GaCl气体，GaCl与氨气在感应加热结晶区反应，生成体块氮化镓晶体。

以上所述仅是本专利的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本专利的保护范围。