一种GaN单晶生长装置及方法
本发明涉及半导体材料，尤其涉及一种gan单晶生长装置及方法。
背景技术：
1、助熔剂法生长单晶gan过程是气-液-固三相反应过程，生长工艺包括程序升温-恒温-降温过程，生长过程是高压氮气在气液界面解离，然后又表面传质到底部籽晶，然后n离子与ga离子结合生长单晶。
2、但是实际生长过程中，存在两个问题：一是，升温阶段及恒温的开始阶段熔体中n离子浓度很低，此时的籽晶浸渍与高温熔体中，很容易受到腐蚀作用，影响表面形貌，进而影响结晶质量。二是，gan单晶过程生长很快，而解离及传质过程较慢，以至于实际生长过程n离子浓度很低，工艺缺陷造成gan生长质量很低。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提供一种gan单晶生长装置及方法，通过反应釜的旋转实现籽晶的提升与下降，实现当n离子浓度较高时，籽晶浸入熔体，当n离子浓度较低时，籽晶与熔体分离，可以间断性控制gan单晶的生长，保证了籽晶一直处于n离子的高浓度环境中，提高了gan单晶的生长质量。
2、本发明的目的通过以下技术方案实现：
3、其一，本发明提供一种gan单晶生长装置，包括：
4、籽晶；
5、加热组件；
6、反应釜，所述加热组件设置于所述反应釜外侧，所述反应釜用于容纳反应原料和籽晶；
7、升降机构，所述升降机构包括固定部、升降部和悬挂部，所述固定部设置于反应釜的外部，所述悬挂部设置于反应釜的内部，所述升降部的一端连接于所述固定部，所述升降部的另一端穿过所述反应釜的上端连接于所述悬挂部，所述籽晶设置于所述悬挂部；
8、旋转机构，所述反应釜固定于旋转机构上，所述旋转机构用于使所述升降部相对所述反应釜进行移动，从而使所述悬挂部在熔体内上升或下降以调整所述籽晶在所述反应釜内的位置。
9、进一步地，所述籽晶由sic、aln、gan、gaas和si中的任一种材料构成；所述反应原料为ga、na、c、li中的一种或多种。
10、进一步地，所述加热组件设置为电阻加热、感应加热或红外加热中的一种或多种。
11、进一步地，所述反应釜包括釜体和盖体，所述盖体上设有开口，所述开口的内壁上设置有内螺纹；所述升降部为丝杆，所述丝杆的外壁上设置有与所述开口内壁上的内螺纹相互配合外螺纹，当所述旋转机构旋转时，带动所述丝杆相对所述反应釜沿进行上下移动。
12、进一步地，所述升降部竖直开设有进气通道。
13、进一步地，所述盖体上开设有进气通道。
14、进一步地，所述固定部包括若干支架、及与所述支架的数量对应的连接杆，若干所述支架竖直安装于所述反应釜的外部，若干所述支架的上端均竖直开设有滑槽，所述连接杆的一端滑动连接于所述滑槽内，所述连接杆的另一端与所述升降部相连接。
15、进一步地，所述悬挂部包括连接于所述升降部的若干提线、及连接于所述提线的固定槽，所述籽晶设置于所述固定槽，所述提线由不锈钢材料、mo材料、w材料或钼钨合金材料制成。
16、进一步地，所述旋转机构包括转轴、及安装于转轴上端的固定盘，所述反应釜固定安装于所述固定盘上。
17、其二，本发明提供一种gan单晶生长方法，具体步骤如下：
18、(1)使用上述gan单晶生长装置，将反应原料投入反应釜的釜体内，启动旋转机构进行正向旋转，使升降部相对反应釜进行下移至籽晶处于反应原料的上方位置；
19、(2)在gan单晶生长装置中通过高压氮气，开启加热组件进行加热，升至预定温度后，反应原料熔化为熔体，保持工艺设定压力；
20、(3)待熔体的中n离子达到工艺条件下的过饱状态时，启动旋转机构进行正向旋转，使升降部相对反应釜继续进行下移至籽晶浸入熔体；
21、(4)待籽晶生长gan至n离子浓度处于较低水平后，启动旋转机构进行反向旋转，使升降部相对所述反应釜进行上移至籽晶处于熔体之上，待n离子解离至熔体中处于过饱和状态不再进行n解离时，再次进行步骤(3)和步骤(4)，循环往复；
22、(5)待gan单晶生长结束后，启动旋转机构进行反向旋转，使升降部相对反应釜进行上移至籽晶处于熔体之上，关闭加热组件，泄压。
23、本发明的有益效果是：
24、1、本发明通过设置升降机构和旋转机构，将反应釜固定安装于旋转机构，通过反应釜的旋转实现籽晶的自动提升与下降，可以间断性控制gan单晶的生长；
25、2、本发明在升温阶段、生长阶段的前期、熔体中n离子未达到饱和时，籽晶与高温熔体分离，当高温熔体n离子浓度饱和后，通过装置的旋转提升实现籽晶浸入熔体；当n离子浓度消耗较低后，再通过装置的旋转提升实现籽晶与熔体的分离。
26、3、本发明实现n离子浓度较高时，籽晶浸入熔体，当n离子浓度较低时，籽晶与熔体分离，使籽晶一直处于高n离子浓度的环境中，保证了gan单晶较高的生长质量。
技术特征：
1.一种gan单晶生长装置，包括籽晶，其特征在于：还包括：
2.根据权利要求1所述的gan单晶生长装置，其特征在于：所述籽晶由sic、aln、gan、gaas和si中的任一种材料构成；
3.根据权利要求1所述的gan单晶生长装置，其特征在于：所述加热组件设置为电阻加热、感应加热或红外加热中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的gan单晶生长装置，其特征在于：所述反应釜包括釜体和盖体，所述盖体上设有开口，所述开口的内壁上设置有内螺纹；所述升降部为丝杆，所述丝杆的外壁上设置有与所述开口内壁上的内螺纹相互配合外螺纹，当所述旋转机构旋转时，带动所述丝杆相对所述反应釜沿进行上下移动。
5.根据权利要求4所述的gan单晶生长装置，其特征在于：所述升降部竖直开设有进气通道。
6.根据权利要求4所述的gan单晶生长装置，其特征在于：所述盖体上开设有进气通道。
7.根据权利要求1所述的gan单晶生长装置，其特征在于：所述固定部包括若干支架、及与所述支架的数量对应的连接杆，若干所述支架竖直安装于所述反应釜的外部，若干所述支架的上端均竖直开设有滑槽，所述连接杆的一端滑动连接于所述滑槽内，所述连接杆的另一端与所述升降部相连接。
8.根据权利要求1所述的gan单晶生长装置，其特征在于：所述悬挂部包括连接于所述升降部的若干提线、及连接于所述提线的固定槽，所述籽晶设置于所述固定槽，所述提线由不锈钢材料、mo材料、w材料或钼钨合金材料制成。
9.根据权利要求1所述的gan单晶生长装置，其特征在于：所述旋转机构包括转轴、及安装于转轴上端的固定盘，所述反应釜固定安装于所述固定盘上。
10.一种gan单晶生长方法，其特征在于：所述gan单晶生长方法的具体步骤如下：
技术总结
本发明公开一种GaN单晶生长装置及其方法，包括：籽晶；加热组件；反应釜，所述加热组件设置于反应釜外侧，反应釜用于容纳反应原料和籽晶；升降机构，升降机构包括固定部、升降部和悬挂部，固定部设置于反应釜的外部，悬挂部设置于反应釜的内部，升降部的一端连接于所述固定部，升降部的另一端穿过反应釜的上端连接于悬挂部，籽晶设置于悬挂部；旋转机构，反应釜固定于旋转机构上。本发明通过反应釜的旋转实现籽晶的提升与下降，实现当N离子浓度较高时，籽晶浸入熔体，当N离子浓度较低时，籽晶与熔体分离，可以间断性控制GaN单晶的生长，保证了籽晶一直处于N离子的高浓度环境中，提高了GaN单晶的生长质量。
技术研发人员：张敏,姜永京,刘强,刘南柳,陈垦宇,肖继宗,谢胜杰,王琦
受保护的技术使用者：北京大学东莞光电研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23