一种制备氮化镓的氢化物气相外延装置及工作方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种制备氮化镓的氢化物气相外延装置，包括：腔体和内置于腔体的镓舟，所述腔体包括依次连接的进气区

【技术实现步骤摘要】
一种制备氮化镓的氢化物气相外延装置及工作方法


[0001]本专利技术属于晶体生长设备领域，具体涉及一种制备氮化镓的氢化物气相外延装置及工作方法
。

技术介绍

[0002]氮化镓材料是一种具有半导体特性的化合物，与现在应用最广泛的半导体
Si
材料（
1.12 eV
）相比，氮化镓材料具有更大的禁带宽度，这也就决定了它可以耐更高的电压和在更高的温度下工作，并且它还具有更快的饱和电子漂移速度和较高的载流子迁移率，可实现器件更高速运行
。
氮化镓材料具有高热导率和高击穿电场，是制备高温大功率器件和高频微波器件的关键核心衬底材料
。
[0003]氢化物气相外延法（
HVPE
）具有生长条件温和
、
生长速率快和成本低等优势，是制备氮化镓的主要方法
。HVPE
法制备氮化镓，分为两个温区，在低温区（
800
‑
900℃
）
HCl
在载气的输运下，经过镓舟与
Ga
反应生成
GaCl
，然后被输运到高温区（
1000
‑
1100℃
）与
NH3
反应生成氮化镓
。
[0004]由于气相法很难生长很厚的氮化镓晶体，一般只生长
800
μ
m
左右，然后将异质衬底剥离，制备出自支撑氮化镓材料
。
然而，由于每生长一炉就要进行一次升降温，生长效率较低，造成生长成本较高，进而影响氮化镓衬底的大面积应用
。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种制备氮化镓的氢化物气相外延装置，可以有效解决传统的氢化物气相外延装置，每生长一炉就要进行一次升降温，生长效率较低的问题
。
[0006]为解决以上问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种制备氮化镓的氢化物气相外延装置，包括：腔体和设于所述腔体内部的镓舟，所述腔体包括依次连接的进气区
、
镓反应区
、
生长区
、
换样区和装样区，所述镓舟设于镓反应区内；所述进气区设有第一进气管和第二进气管，所述第一进气管的末端与镓反应区连通，所述第二进气管的末端与生长区连通，所述第一进气管内的气体与所述镓舟内的金属镓反应生成中间产物，所述中间产物通过中间管路与生长区连通；所述生长区设有籽晶托和尾气排放管，所述第二进气管中的气体和所述中间产物在所述籽晶托处反应生成氮化镓，所述尾气排放管设于生长区的顶部；所述换样区设有若干个区域，各区域温度逐渐变化，所述换样区设置有换样动力源和换样杆，所述换样杆处于第一工作位，换样杆的末端水平伸入生长区与籽晶托连接，所述换样区处于真空或者填充有惰性气体；所述装样区设置有装样动力源和装样杆，所述装样杆处于第一工作位，装样杆的末端水平伸入换样区与籽晶托连接
。
[0007]优选的，所述换样区和生长区之间设有换样舱门，所述装样区和换样区之间设有装样舱门，所述换样舱门和装样舱门均采用胶圈密封，所述换样舱门和装样舱门均设置有水冷装置
。
[0008]优选的，所述第一进气管和第二进气管内部充有载气，载气是
N2
和
Ar
中的至少一种
。
[0009]优选的，所述镓反应区的温度为
800
‑
900℃
，所述生长区的温度为
1000
‑
1100℃
，所述换样区包括依次连接的换样一区
、
换样二区
、
换样三区和换样四区，所述换样一区的温度为
800℃
，换样二区的温度为
600℃
，换样三区的温度为
400℃
，换样四区的温度为
200℃。
[0010]优选的，所述镓反应区
、
生长区和换样区均采用电阻炉加热
。
[0011]优选的，所述籽晶托的材质为石英
、
石墨
、
碳化硅中的至少一种
。
[0012]优选的，所述尾气排放管外设有加热带
。
[0013]优选的，所述第一进气管
、
第二进气管
、
镓舟的材质为石英材料
。
[0014]优选的，所述换样动力源为换样驱动电机，所述装样动力源为装样驱动电机，所述换样杆和装样杆均为伸缩杆
。
[0015]一种制备氮化镓的氢化物气相外延装置的工作方法，包括以下方法：
S1
：在镓反应区的镓舟内放置金属镓，在装样区内放入籽晶托，所述籽晶托装有未生长的籽晶，装样杆和换样杆将籽晶托送至生长区；
S2
：密闭整个制备氮化镓的氢化物气相外延装置，从第一进气管通入第一气体及载气，从第二进气管通入第二气体及载气；
S3
：第一气体与镓舟里面的金属镓反应生成中间产物，中间产物与第二气体在生长区反应，生成氮化镓晶体；
S4
：装有生长完成的籽晶的籽晶托通过换样杆和装样杆运送至装样区，在装样区取出生长完成的籽晶，并在籽晶托上装上未生长的籽晶，再通过换样杆和装样杆运送籽晶托至生长区
。
[0016]和现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术提供一种制备氮化镓的氢化物气相外延装置，通过增加了换样区和装样区，可以使镓反应区和生长区不用降温直接进行取样
、
装样，进行再次生长，避免了反复升温降温，极大的提高了氮化镓的生产效率，降低了氮化镓的生产成本；装样杆和换样杆能平稳的将籽晶托在换样区和装样区来回穿行，减少了装样换样的时间，使未生长的籽晶快速进入生长；换样区设有温度缓冲区，分为多个区域，温度逐级降低，对取出的样品进行一个温度缓冲，不至于温度一下子降温太快，造成片子开裂，同时装样的时候，也可以对新装的籽晶进行一个预热处理，保证样品进入生长区后温度均匀，这样可以大大的提高生长氮化镓单晶的合格率，增加生长稳定性，提高生产效率
。
附图说明
[0017]图1为本专利技术制备氮化镓的氢化物气相外延装置的结构示意图；图2为本专利技术制备氮化镓的氢化物气相外延装置的换样舱门的结构示意图；图3为本专利技术制备氮化镓的氢化物气相外延装置的装样舱门的结构示意图
。
[0018]图中：
1、
进气区，
11、
第一进气管，
12 、
第二进气管，
2、
镓反应区，
21、 镓舟，
22 、
金
属镓，
3、
生长区，
31、 籽晶，
32、 籽晶托，
33、 NH3
出气口，
34 、GaCl
出气口，
35、 尾气排放管，...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种制备氮化镓的氢化物气相外延装置，包括：腔体和设于所述腔体内部的镓舟（
21
），其特征在于，所述腔体包括依次连接的进气区（1）
、
镓反应区（2）
、
生长区（3）
、
换样区（4）和装样区（6），所述镓舟（
21
）设于镓反应区（2）内；所述进气区（1）设有第一进气管（
11
）和第二进气管（
12
），所述第一进气管（
11
）的末端与镓反应区（2）连通，所述第二进气管（
12
）的末端与生长区（3）连通，所述第一进气管（
11
）内的气体与所述镓舟（
21
）内的金属镓（
22
）反应生成中间产物，所述中间产物通过中间管路与生长区（3）连通；所述生长区（3）设有籽晶托（
32
）和尾气排放管（
35
），所述第二进气管（
12
）中的气体和所述中间产物在所述籽晶托（
32
）处反应生成氮化镓，所述尾气排放管（
35
）设于生长区（3）的顶部；所述换样区（4）设有若干个区域，各区域温度逐渐变化，所述换样区（4）设置有换样动力源和换样杆（
42
），所述换样杆（
42
）处于第一工作位，换样杆（
42
）的末端水平伸入生长区（3）与籽晶托（
32
）连接，所述换样区（4）处于真空或者填充有惰性气体；所述装样区（6）设置有装样动力源和装样杆（
62
），所述装样杆（
62
）处于第一工作位，装样杆（
62
）的末端水平伸入换样区（4）与籽晶托（
32
）连接
。2.
根据权利要求1所述的一种制备氮化镓的氢化物气相外延装置，其特征在于，所述换样区（4）和生长区（3）之间设有换样舱门（5），所述装样区（6）和换样区（4）之间设有装样舱门（7），所述换样舱门（5）和装样舱门（7）均采用胶圈密封，所述换样舱门（5）和装样舱门（7）均设置有水冷装置
。3.
根据权利要求1所述的一种制备氮化镓的氢化物气相外延装置，其特征在于，所述第一进气管（
11
）和第二进气管（
12
）内部充有载气，载气是
N2
和
Ar
中的至少一种
。4.
根据权利要求1所述的一种制备氮化镓的氢化物气相外延装置，其特征在于，所述镓反应区（2）的温度为
800
‑
900℃
，所述生长区（3）的温度为
1000
‑
1100℃
，所述换样区（4）包括依次连接的换样一区（
43
）
、
换样二区（
44
）
、
换样三区（
45
）和换样四区（
46
），所述换样一区（
43
）的温度为
800℃
，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张雷，刘磊，王守志，俞娇仙，王国栋，
申请(专利权)人：山东晶镓半导体有限公司，
类型：发明
国别省市：