專利名稱：一種高溫高壓晶體生長設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于晶體材料特別是半導(dǎo)體材料及晶體生長相關(guān)熱工程領(lǐng)域，具體涉及一種半導(dǎo)體晶體，即氮化鎵晶體生長設(shè)備。
背景技術(shù)：
GaN是研制高電壓、高頻率、高功率和高溫微電子器件、光電子器件的新型寬帶半導(dǎo)體材料，被譽(yù)為第三代半導(dǎo)體材料。GaN體材料和膜材料的研究與應(yīng)用是目前全球半導(dǎo)體材料和器件研究的前沿和熱點(diǎn)。目前，GaN材料在生長上由于缺少同質(zhì)基底仍然以異質(zhì)外延方法為主，主要有氫化物氣相外延(HVPE)、金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)、分子束外延 (MBE)等。襯底材料主要采用藍(lán)寶石，也有采用SiC或Si等。雖然在襯底與外延層之間先生長緩沖層的方法可以部分減少缺陷密度，但總體來說，這種異質(zhì)外延總不可避免存在較大晶格失配(如GaN/藍(lán)寶石=15%)和熱失配(GaN/藍(lán)寶石=25.5%)，導(dǎo)致外延層具有較高的位錯(cuò)密度，形成缺陷和殘余應(yīng)力，而這種晶格缺陷會(huì)直接影響器件的光電性能(如壽命和效率)，限制了器件性能的進(jìn)一步提高。因此，要完全發(fā)揮出GaN半導(dǎo)體材料的寬帶特征，進(jìn)一步提高器件光電性能，外延襯底最好采用GaN體單晶自支撐基片(free-standing substrate)，進(jìn)行同質(zhì)外延生長。同質(zhì)外延的優(yōu)勢有1)由于沒有晶格失配和熱失配，與異質(zhì)外延相比，器件中缺陷會(huì)大大降低；2)可以省去表面氮化、成核層及緩沖層生長等步驟，實(shí)現(xiàn)二維生長；3)可克服藍(lán)寶石不導(dǎo)電的缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)垂直器件結(jié)構(gòu)，從而大大簡化了器件制作工藝。目前制備GaN單晶材料的主要方法及各自特點(diǎn)見表1。氣相法以HVPE為代表，得到的晶體質(zhì)量不高，缺陷較多，但生長速度較快，已有商品出售，而且設(shè)備相對簡單。三種溶液法中，高壓氮?dú)馊芤悍ㄋ鑹毫ψ罡?，氨熱法次之，熔劑法最?。欢蜏囟榷?，仍然是高壓氮?dú)馊芤悍ㄗ罡撸蹌┓ù沃?，氨熱法最小?？梢?，相對而言，熔劑法生長條件較為溫和， 生長速度較快，因此成本相對較低。高壓氮?dú)馊芤悍ǖ玫降木w質(zhì)量較好，但想要進(jìn)一步增大尺寸難度很大；熔劑法得到的晶體質(zhì)量也較好。氨熱法得到的晶體缺陷密度最大，提高生長速度的難度極大。熔劑法通過引入較大尺寸籽晶得到的晶體尺寸已經(jīng)達(dá)到2英寸，幾毫米厚度。在限制成核或控制定向生長后，熔劑法單晶生長則更具潛力。顯然，熔劑法有可能發(fā)展成為工業(yè)生長技術(shù)。但是目前不管哪種生長方法，GaN體單晶材料的尺寸大多局限于2 英寸直徑。并且，由于晶體生長工藝難度大成本高，GaN同質(zhì)基片售價(jià)昂貴，限制了 GaN材料的工業(yè)應(yīng)用，迫切需要發(fā)展工藝技術(shù)先進(jìn)，操作簡易，成本低廉的工業(yè)生長技術(shù)，本發(fā)明設(shè)計(jì)即為此目的而形成。表1制備GaN單晶材料的主要方法
權(quán)利要求
1.一種高溫高壓晶體生長設(shè)備，包括吊裝裝置、底座(6)、壓力罐(1)、加熱爐(18)、下降裝置(5)；其特征在于吊裝裝置安裝在壓力罐⑴外殼的頂部；底座(6)用于支撐壓力罐⑴；壓力罐⑴內(nèi)放置加熱爐(18)和下降裝置(5)，加熱爐(18)下爐口與壓力罐(1) 內(nèi)的爐腔相通；下降裝置(5)安裝在加熱爐(18)下方，其上放置被加熱爐(18)加熱的坩堝，坩堝中放置用于生成高溫高壓晶體的物料。
2.如權(quán)利要求1所述的一種高溫高壓晶體生長設(shè)備，其特征在于所述的壓力罐(1) 包括不銹鋼殼體、安裝在殼體外部的冷卻盤管G)、供應(yīng)加熱爐功率的接線端子(16)；所述加熱爐(18)包括內(nèi)部的發(fā)熱元件(3)、外部的保溫材料O)、爐腔和爐口處的隔熱密封塞 (15)；所述下降裝置( 包括放置坩堝的載物平臺、蝸輪蝸桿、調(diào)速齒輪組、慢速電機(jī)、指針及刻度尺；下降裝置( 放置于一個(gè)壓力罐內(nèi)部的與壓力罐固定相連的支撐平臺(7)之上。
3.如權(quán)利要求2所述的一種高溫高壓晶體生長設(shè)備，其特征在于壓力罐不銹鋼殼體分為上、下兩個(gè)部分，通過法蘭盤螺栓緊固密封或快開式自緊固密封。
4.如權(quán)利要求1或2所述的一種高溫高壓晶體生長設(shè)備，其特征在于壓力罐通過與之連接的真空設(shè)備0 保證壓力罐內(nèi)氣體的純凈或保持真空。
5.如權(quán)利要求2所述的一種高溫高壓晶體生長設(shè)備，其特征在于加熱爐發(fā)熱元件(3) 由石墨、Fe/Cr/Al合金、Ni/Cr合金、鈮、鈦、鉭、鉬、鎢、錸、鉬、碳化硅、硅化鉬中的一個(gè)或多個(gè)構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1，2，3，5任一項(xiàng)所述的一種高溫高壓晶體生長設(shè)備，其特征在于加熱爐(18)可將所述爐腔加熱至 2000°C。
7.如權(quán)利要求1，2，3，5任一項(xiàng)所述的一種高溫高壓晶體生長設(shè)備，其特征在于加熱爐(18)包括至少兩個(gè)溫度傳感器(10，11)，用于測量所述爐腔的至少兩個(gè)位置的溫度；所述溫度傳感器為選自熱電偶、熱敏電阻其任何組合中的兩個(gè)或多個(gè)；其中一個(gè)用于控制爐腔溫度，其他用于指示爐腔不同位置溫度。
8.如權(quán)利要求2所述的一種高溫高壓晶體生長設(shè)備，其特征在于保溫材料⑵為硅酸鋁耐火棉、氧化鋁多晶纖維、石墨、普通碳?xì)?、碳沉積氈的一種或多種。
9.如權(quán)利要求2所述的一種高溫高壓晶體生長設(shè)備，其特征在于冷卻盤管(4)纏繞在壓力罐外部；冷卻盤管⑷外接帶水泵的冷卻水箱。
10.如權(quán)利要求7所述的一種高溫高壓晶體生長設(shè)備，其特征在于所述傳感器的輸出由壓力罐上的接線端子(16)引入，并在IOMI^a氣壓下安全輸出；加熱爐的功率由壓力罐上的功率亦由接線端子(16)引入，并在IOMI^a氣壓下安全輸電。
全文摘要
本發(fā)明所提供一種高溫高壓晶體生長設(shè)備，尤其是一種能生長大尺寸GaN體單晶的高溫高壓熔劑-坩堝下降法生長設(shè)備。包括吊裝裝置、底座(6)、壓力罐(1)、加熱爐(18)、下降裝置(5)；吊裝裝置安裝在壓力罐(1)外殼的頂部；底座(6)用于支撐壓力罐(1)；壓力罐(1)內(nèi)放置加熱爐(18)和下降裝置(5)，加熱爐(18)下爐口與壓力罐(1)相通；下降裝置(5)安裝在加熱爐(18)下方，其上放置被加熱爐(18)加熱的用于生成高溫高壓晶體的物料。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，用途廣泛，可用于生長大尺寸GaN體單晶材料外，也可用于從高蒸汽壓熔體中生長的各種功能晶體材料，還可以用于一些物質(zhì)在氣氛下的熱等靜壓處理或燒結(jié)等。
文檔編號C30B29/40GK102534798SQ201210003909
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月6日
發(fā)明者周明斌, 徐卓, 李振榮, 范世驥 申請人:西安交通大學(xué)