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一种钠助熔剂法氮化镓单晶的生长装置

2020-12-12 07:50:17

一种钠助熔剂法氮化镓单晶的生长装置

  技术领域

  本发明涉及单晶材料生长技术,尤其是涉及一种钠助熔剂法氮化镓单晶的生长装置。

  背景技术

  氮化镓作为第三代半导体材料,凭借其宽禁带、高击穿电压和高导热率等优良特性在光电和微电领域一直备受关注。相对于氮化镓器件的快速发展,氮化镓晶体生长技术相对滞后,缺少高质量、大尺寸的氮化镓衬底材料是限制氮化镓器件性能进一步提升的重要因素。对于现有的氮化镓单晶生长方法,氢化物气相外延(HVPE)法已经具备商业化生产大尺寸氮化镓单晶片的能力,但是受制于异质外延造成的晶格失配和热失配,存在外延层位错密度较高、应力和翘曲度较大的问题,难以满足同质外延及后续器件制作对于低缺陷氮化镓衬底的要求。相对于氮化镓的气相外延生长,液相外延法虽然生长速度相对缓慢,但是由于其生长条件更接近平衡态,因此得到的晶体的缺陷更少且应力较小,这恰好弥补了气相外延的不足。采用液相外延获得低缺陷、低翘曲的高质量氮化镓自支撑衬底后,再采用HVPE法在其上进行同质外延是未来实现大批量生产低缺陷氮化镓衬底的理想方式,液相外延将在氮化镓材料发展中扮演重要角色并助力氮化镓器件性能的进一步提升。

  钠助熔剂法作为液相法的一种在近年来也随着氮化镓热度的升高而得到了越来越多的关注。目前,采用大尺寸籽晶进行钠助熔剂法外延生长得到的氮化镓单晶片的尺寸已经可以达到4-6英寸,位错密度可低至1×103~104cm-3,氧、硅杂质浓度低于1017atoms·cm-3。

  钠助熔剂法的原理是在750~900℃的温度及3~5atm的氮气压力条件下借助作为助熔剂的金属钠的强还原性,使氮气在金属钠和镓所组成的金属熔融液表面电离以提高其中的氮原子浓度,从而显著降低满足氮化镓生长所需的氮气压力,在相对较小的氮气压力条件下使金属熔融液中的氮原子达到过饱和,从而实现氮化镓单晶的生长,相对于其他液相法,具有生长条件温和,设备结构相对简单的优点。

  用于钠助熔剂法液相外延制备大尺寸氮化镓衬底的晶体生长设备通常为加热体在内部的压力容器,如专利号CN107338477A中涉及的晶体生长装置(如图1所示)。常规生长装置在进行晶体生长前,需要在手套箱中完成坩埚内金属钠和镓的称量和装填,随后将坩埚放入压力容器中在指定的温度和压力下进行晶体生长。常规晶体生长装置受其内部结构设计的影响,在使用进行钠助熔剂法氮化镓晶体生长时存在下述问题:首先,晶体生长初期籽晶将直接与未达到氮原子过饱和状态的金属熔融液接触,该条件下籽晶将发生分解,导致表面质量劣化,难以获得低位错的外延层;其次,晶体生长过程中金属熔融液仅依靠热对流进行内部流动,其整体流动速率较慢,难以保证助熔剂金属钠和原料金属镓的混合均匀性以及氮原子浓度分布的均匀性,容易出现局部氮原子浓度过高的现象,导致外延生长速度缓慢和晶体贫氮。最后,开放式坩埚使其与整个压力容器腔体内部环境相连通,这将难以避免金属钠在高温下脱离晶体生长环境和杂质元素的引入,造成金属熔融液成分发生变化,从而导致晶体生长特性改变和晶体着色。

  发明内容

  鉴于上述现有技术存在的问题和缺陷,本发明提供一种钠助熔剂法氮化镓单晶的生长装置,其目的是从晶体生长装置内部结构设计原理角度来解决上述现有技术存在的问题。

  本发明为实现上述目的所采取的技术方案是:一种钠助熔剂法氮化镓单晶的生长装置,包括由水冷腔和压力容器腔体构成的主体结构,在主体结构内部包括用于装载籽晶的坩埚、支撑结构以及保温层;其特征在于,在主体内部还包括由籽晶夹具固定杆、籽晶夹具固定盘和籽晶夹具夹持杆组成的籽晶夹具;还包括由反应容器腔体和反应容器顶盖构成的反应容器;还包括由反应容器托盘、内部设有循环冷却水路的传动杆和电机构成的具备旋转和升降功能的载物台;所述的支撑结构由籽晶夹具固定腔、托盘、套筒和底座固定连接构成;所述的保温层包括内保温层和外保温层;所述坩埚置于反应容器中,其中反应容器顶盖置于籽晶夹具固定盘的上方且与反应容器腔体上端固定连接,反应容器腔体下端置于所述载物台的反应容器托盘上;所述籽晶夹具固定杆的上端与所述的籽晶夹具固定腔固定连接,籽晶夹具固定杆的下端穿过反应容器顶盖的中心孔与籽晶夹具固定盘固定连接,所述的籽晶夹具夹持杆至少设有三个,其上端分别与籽晶夹具固定盘固定连接,籽晶夹具夹持杆的下端设有凹槽,在凹槽里嵌入所述的籽晶;所述载物台的传动杆的上端依次穿过水冷腔、压力容器腔体、支撑结构的底座、外保温层、支撑结构的套筒及内保温层的中心孔与所述的载物台上的反应容器托盘固定连接,载物台的传动杆的下端与所述的电机连接。

  本发明所述籽晶夹具夹持杆上带有搅拌桨,用于晶体生长过程搅拌金属熔融液以提高其整体流动性。

  本发明的设计和工作原理以及所达到的技术效果:

  一、在使用本装置进行钠助熔剂法氮化镓单晶外延生长时,首先降低载物台的反应容器托盘210a高度,使籽晶208在金属熔融液206中氮原子未达到过饱和之前不与其接触,从而避免籽晶分解,防止籽晶表面质量劣化。

  二、当氮原子达到过饱和时,提升载物台的反应容器托盘210a,使籽晶208浸于金属熔融液206中以开始液相外延生长;同时电机210c工作使载物台具有循环冷却水路的传动杆210b带动反应容器托盘210a旋转,籽晶夹具的夹持杆207c将对金属熔融液206进行搅拌以提高其内部流动速率,从而加速氮原子扩散并提高其浓度分布均匀性,进而达到提高籽晶周围氮原子浓度的目的,避免晶体贫氮。

  三、此外,半密封式的反应容器结构能够减少晶体生长过程中钠蒸气的逸出并阻挡外界杂质气氛,从而维持金属熔融液206中助熔剂金属钠与原料金属镓之间的比例,并防止杂质元素的引入,进而使金属钠能够持续发挥助熔剂的作用,保证氮气分子在金属熔融液206表面的持续电离,并溶入金属熔融液206,为钠助熔剂法氮化镓单晶外延提供稳定、纯净的生长条件。

  附图说明

  图1为常规的助熔剂法氮化镓晶体生长装置结构示意图;

  图2为本发明的钠助熔剂法氮化镓晶体生长装置整体结构示意图;

  图3为图2中内部结构部分放大的立体示意图。

  具体实施方式

  以下结合附图对本发明作进一步说明:

  如图2、图3所示,一种钠助熔剂法氮化镓单晶的生长装置包括由水冷腔201a、进气孔211a、排气孔211b和压力容器腔体201b构成的且与常规装置相同的主体结构,在主体结构内部包括同样用于装载籽晶208和金属熔融液206的坩埚209、支撑结构以及保温层;同时主体结构内部还同样包括加热器204、控温热电偶212a、测温热电偶212b;本生长装置在主体内部还包括由籽晶夹具固定杆207a、籽晶夹具固定盘207b和籽晶夹具夹持杆207c组成的籽晶夹具;还包括由反应容器腔体205b和反应容器顶盖205a构成的反应容器;还包括由反应容器托盘210a、传动杆210b和电机210c构成的具备旋转和升降功能的载物台。

  支撑结构由籽晶夹具固定腔203a、托盘203b、套筒203c和底座203d通过螺纹固定连接构成;保温层包括内保温层202b和外保温层202a;坩埚209置于反应容器中;其中反应容器顶盖205a置于籽晶夹具固定盘207b的上方且与反应容器腔体205b上端通过粘接、卡槽或螺纹等方式固定连接,反应容器腔体205b下端置于所述载物台的反应容器托盘210a上;籽晶夹具固定杆207a的上端与籽晶夹具固定腔203a通过螺纹固定连接,籽晶夹具固定杆207a的下端穿过反应容器顶盖205a的中心孔与籽晶夹具固定盘207b通过螺纹固定连接,籽晶夹具夹持杆207c至少设有三个,其上端分别与籽晶夹具固定盘207b通过螺纹固定连接,籽晶夹具夹持杆207c的下端设有凹槽,在凹槽里嵌入籽晶208;载物台的传动杆210b的上端依次穿过水冷腔201a、压力容器腔体201b、支撑结构的底座203d、外保温层202a、支撑结构的套筒203c及内保温层202b的中心孔载物台上的反应容器托盘210a通过螺纹固定连接,载物台的传动杆210b的下端与电机210c的输出轴连接。

  载物台上的传动杆210b内设有循环冷却水路,用于降低传动杆温度以保持其使用可靠性。该循环冷却水路借助传动杆210b底部的三通接头串联一路底部进水和侧边出水而组成。

  籽晶夹具夹持杆207c上带有搅拌桨207d,用于晶体生长过程搅拌金属熔融液以提高其整体流动性。籽晶夹具夹持杆207c与搅拌桨207d加工为一体。

  本生长装置的各部分材料选择如下:

  (1)压力容器腔体201b、水冷腔201a以及传动杆210b均选用不锈钢材质,

  其中压力容器腔体201b、传动杆210b以及支撑结构的籽晶夹具固定腔203a、托盘203b、套筒203c和底座203d优选SUS310不锈钢或316不锈钢,以保证其使用可靠性和耐腐蚀性,水冷腔201a可选用304不锈钢制作。

  (2)内保温层202b和外保温层202a可采用非金属多孔介质材料,以保证良好隔热性能,根据晶体生长时的高温高压条件,其材质优选石墨毡、氧化铝陶瓷、莫来石陶瓷中的一种;此外,内保温层202b或外保温层202a也可部分或全部替换为多层内壁抛光或镀膜的隔热屏;根据晶体生长时的温度条件,其材质可优选钼、钨等熔点高于1000℃以上的金属材料,也可以选用内壁镀银的石英管作为保温层。

  (3)钠助熔剂法晶体生长温度通常小于900℃,结合控温和升温速率的控制需求,加热器204工作方式优先选择电阻加热,其材质优选石墨、铁铬铝合金、镍铬合金、铜镍合金中的一种。

  (4)钠助熔剂法晶体生长温度通常小于900℃,控温热电偶212a、测温热电偶212b优选K型热电偶,其材质为镍铬合金。

  (5)考虑到金属钠化学性质比较活泼,在高温下容易与其它材料发生化学反应,因此制作反应容器腔体205b、反应容器顶盖205a及载物台的反应容器托盘210a、坩埚209、籽晶夹具固定杆207a、籽晶夹具固定盘207b和籽晶夹具夹持杆207c选取熔点应高于900℃并且具有良好的化学稳定性或较强的耐碱性的材料制作,例如氮化硼陶瓷、氧化铝陶瓷、SUS316不锈钢、金属钼、钛、钼钛锆合金中的一种或几种。

  晶体生长工艺实施前装置保持开启状态,装置内部结构除坩埚209、反应容器顶盖205a、支撑结构的籽晶夹具固定腔203a、籽晶夹具固定杆207a、籽晶夹具固定盘207b和籽晶夹具夹持杆207c以及外保温层202a之外,其余部分均已完成安装,并且载物台的反应容器托盘210a高度已降至最低。

  随后在手套箱中进行反应容器内的物质装填,进行籽晶夹具和内部结构的组装以及进行氮化镓单晶的生长过程如下:

  (1)按照3:1~6:1的摩尔比从试剂瓶中取出70g金属钠及对应质量的金属镓放入坩埚209中,并将坩埚209放入反应容器腔体205b内,以完成助熔剂钠和原料金属镓的装填;

  (2)预先在籽晶夹具固定盘207b上以螺纹连接的方式安装3个夹持杆207c,将籽晶208嵌入籽晶夹具夹持杆207c底部凹槽后,再安装第4个籽晶夹具夹持杆207c,已完成籽晶208的固定。

  (3)将籽晶夹具固定杆207a的下端以螺纹连接籽晶夹具固定盘207b,并将反应容器腔体顶盖205a放置于籽晶夹具固定盘207b上方,支撑结构的籽晶夹具固定腔203a与籽晶夹具固定杆207a的上端通过螺纹连接,以完成籽晶夹具及其固定部分的组装。

  (4)将上述结构置于带有定位槽的支撑结构的托盘203b上后,再安装外保温层202a,以完成晶体生长装置关闭前的内部结构准备工作。此时籽晶208位于坩埚209上方,使晶体生长前籽晶208不会与坩埚209内的金属熔融液206接触,以防止籽晶表面质量劣化。

  (5)使用螺栓将压力容器腔体201b密封后,将生长装置抽真空至10-3Pa后,向其充入1atm高纯氮气并再次抽真空至10-3Pa。重复气体置换过程2~3次后将加热器204温度升高至200~300℃,再次进行上述气体置换操作,以提高装置内部气体纯净度,随后在1小时内将加热器204升温至750~900℃并通入高纯氮气,使压力容器腔体201b内部气体压力达到3~5MPa。

  (6)保持上述温度和氮气压力10~20h后,升高载物台的反应容器托盘210a,使籽晶208及籽晶夹具固定盘207b位于坩埚209中的金属熔融液206中,开始氮化镓单晶的外延生长。同时调整电机210c工作模式,使传动杆210b带动载物台的反应容器托盘210a旋转,从而使坩埚209内的金属熔融液206与籽晶208及其籽晶夹具固定盘207b产生相对旋转,进而使籽晶夹具夹持杆207c搅拌金属熔融液206,载物台的反应容器托盘210a旋转速率可设置为5rpm~30rpm,旋转方式可设置为单方向或周期性调转方向旋转,本例中载物台的反应容器托盘210a旋转速率为20rpm、方向调转周期为30s。

  (7)晶体生长时间根据所需氮化镓单晶外延层厚度进行调整,考虑到钠助熔剂法生长速度较慢,通常为10~20um/h左右,以及后续晶体加工造成的厚度损失,通常需要50h以上的晶体生长时间使外延层厚度达到制作自支撑衬底的要求。达到目标晶体生长时间后,使载物台的反应容器托盘210a下降,从而使氮化镓单晶片与坩埚209中的金属熔融液206分离,避免关闭加热器204后坩埚209中凝固的金属熔融液挤压氮化镓单晶片致其破碎的现象发生。关闭加热器204的电源并通过排气孔211b卸载压力容器腔体201b中的高压氮气,当装置内部回到常温常压时进行多次气体置换,随后对其抽真空、拆卸密封螺栓,通过进气孔211a充入氮气,当内部气体压力接近常压时开启装置,取出氮化镓单晶片及其夹持杆207c,并将二者置于装有无水乙醇的烧杯中以溶解附着的金属钠及钠镓合金,从而使二者分离,得到氮化镓单晶片。至此,使用本发明中的晶体生长装置进行钠助熔剂外延生长氮化镓单晶片的过程结束。

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