阅读说明：本技术 一种氮化镓单晶生长装置及生长方法 (Gallium nitride single crystal growth device and growth method ) 是由 乔焜 张新建 于 2020-06-18 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种氮化镓单晶生长装置及生长方法,以实现氨热法生长高质量、大尺寸氮化镓单晶。氮化镓单晶生长装置包括生长容器、设置在生长容器外的机架及生长容器内的加热装置。生长容器筒体由内筒体和缠绕在内筒体外壁的扁钢丝或扁钢带组成；机架用于支撑生长容器并固定生长容器端盖以抵消容器内的超高压所造成的轴向力；加热装置用于加热生长容器内的氨溶剂；生长容器内部所有与氨溶剂接触的部位均存在防腐蚀衬套或防腐蚀层。所述氮化镓单晶生长方法通过在生长容器内设置隔板,将生长容器分割为生长区和原料区,加热装置分别加热生长区和原料区,使生长区和原料区之间存在温度差,从而使超临界氨溶剂在生长容器内产生对流以促使氮化镓单晶不断生长。本申请氮化镓单晶生长容器可以突破现有技术限制,内径达φ300mm及以上,可实现4”及以上氮化镓单晶的规模化生产,进而大大降低氮化镓单晶成本。(The application discloses a gallium nitride single crystal growth device and a growth method, which are used for realizing ammonothermal growth of high-quality and large-size gallium nitride single crystals. The gallium nitride single crystal growth device comprises a growth container, a machine frame arranged outside the growth container and a heating device arranged in the growth container. The growth container barrel consists of an inner barrel and a flat steel wire or a flat steel belt wound on the outer wall of the inner barrel; the frame is used for supporting the growth container and fixing the end cover of the growth container to counteract the axial force caused by ultrahigh pressure in the container; the heating device is used for heating the ammonia solvent in the growth container; all parts of the growth container which are contacted with the ammonia solvent are provided with an anti-corrosion lining or an anti-corrosion layer. According to the gallium nitride single crystal growth method, the partition plate is arranged in the growth container, the growth container is divided into the growth area and the raw material area, and the heating device respectively heats the growth area and the raw material area, so that the temperature difference exists between the growth area and the raw material area, and the supercritical ammonia solvent generates convection in the growth container to promote the gallium nitride single crystal to continuously grow. The gallium nitride single crystal growth container can break through the limitation of the prior art, the inner diameter reaches phi 300mm and above, and the large-scale production of gallium nitride single crystals of 4' and above can be realized, so that the cost of the gallium nitride single crystals is greatly reduced.)

一种氮化镓单晶生长装置及生长方法

技术领域

本发明涉及晶体生长技术领域，更具体地说，涉及一种氮化镓单晶生长装置及生长方法。

背景技术

氮化镓(GaN)具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等性能，使其在光电子器件、电力电子、射频微波器件、激光器和探测器等方面展现出巨大的应用潜力。

用于制造GaN单晶的方法有HVPE(氢化物气相外延)法、钠熔融法、氨热法等，氨热法生长GaN单晶具有晶体缺陷密度低(质量高)、高产出、晶体可以全方位生长的特点，与水热法生长人工水晶原理相似，氨热法更具备高品质GaN单晶的工业化生产前景。

与水热法生长人工水晶需要水晶釜类似，氨热法生长GaN单晶也需要生长容器，不同之处在于氨热法生长GaN单晶所需的生长容器设计参数更高，为～200MPa、650℃，现有技术采用高温镍基合金制造GaN单晶生长容器，受限于高温镍基合金铸锭的最大重量及加工水平，现阶段GaN单晶生长容器内径仅能做到φ300mm以下，仅能实现4”规格GaN单晶的批量生产，且成本较高，限制了GaN单晶、特别是大尺寸GaN单晶的工业化生产及降低成本。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种氮化镓单晶生长装置及生长方法，以实现4”及以上氮化镓单晶的规模化生产，进而大大降低氮化镓单晶成本。

一种氮化镓单晶生长装置，包括生长容器、设置在生长容器外的机架及生长容器内的加热装置。

生长容器包括端盖和筒体，端盖和筒体组成的密闭空间为氮化镓单晶提供生长环境；

机架用于支撑生长容器并固定生长容器端盖以抵消生长容器内的超高压所造成的轴向力；

加热装置用于加热生长容器内的氨溶剂，使氨溶剂处于亚临界/超临界状态；

生长容器内部所有与氨溶剂接触的部位均存在防腐蚀衬套或防腐蚀层。

可选的，所述生长容器筒体由内筒体和缠绕在内筒体外壁的预应力扁钢丝或扁钢带组成，所述内筒体由高强度炮钢锻件、低合金钢锻件或钢板、不锈钢锻件或钢板、或不锈钢复合板制造，所述扁钢丝材质为弹簧钢、扁钢带材质为低合金钢。

可选的，所述生长容器端盖由高强度炮钢锻件、低合金钢锻件或钢板、不锈钢锻件或钢板、或不锈钢复合板制造。

可选的，所述生长容器内筒体和端盖设置有水冷槽或水冷板，以冷却生长容器筒体和端盖，所述生长容器筒体和端盖金属温度不超过425℃。

可选的，所述密封结构采用O型环、B形环、C形环、Bridgman密封、Grayloc密封、楔形环密封等，或上述密封中的一种多个组合，或两种及以上组合的密封形式，密封结构保证生长容器在真空、高温超高压工况下的密封性能，泄漏率≤1.0×10^-12Pa·m³/s。

可选的，所述机架为由立柱、半圆梁等经预应力扁钢丝缠绕后组成的部件。

可选的，所述加热体为电阻丝发热体，生长容器内设置有加热套管，所述发热体连接线从生长容器端盖引出。

可选的，所述防腐蚀衬套或防腐蚀层为单层或双层结构，单层或双层结构中与氨溶剂接触的一侧采用铂Pt、铱Ir、金Au、银Ag、钯Pd、铑Rh、钌Ru等贵金属或其合金制成。

可选的，所述铂Pt、铱Ir、金Au、银Ag、钯Pd、铑Rh、钌Ru等贵金属或其合金通过衬套、焊接和镀覆中的一种或一种以上的组合而配置。

一种氮化镓单晶生长方法，其特征在于，应用权利要求1-8中任一项所述的生长装置，所述生长方法包括：

在生长容器内设置隔板，将生长容器分割为生长区和原料区；

在生长区放置籽晶，原料区放置氮化镓多晶原料，并向生长容器内放置矿化剂；

封闭生长容器，抽真空后向生长容器内填充氨溶剂；

采用加热装置分别加热生长区和原料区，为生长区提供第一温度、为原料区提供第二温度，并使生长区和原料区之间存在温度差；生长容器内的氨溶剂在生长区和原料区之间产生对流流动，在生长区自发生成氮化镓种结晶，或促使生长区的氮化镓籽晶不断长大；

氮化镓单晶生长结束，取出氮化镓单晶，清洗、干燥生长容器，之后返回步骤S01，再次生长氮化镓单晶。

从上述的技术方案可以看出，不同于水晶釜或现有GaN单晶生长容器，本方案GaN单晶生长装置采用在生长容器内加热的方式，且生长容器筒体采用预应力扁钢丝或扁钢带缠绕筒体，此时，生长容器内径可做到φ1500mm及以上，远大于现有GaN单晶生长容器的尺寸，且将加热装置设置在生长容器内，可提高加热装置的加热效率，精确控制生长容器内各温区的温度，促进GaN单晶的稳定生长。

此外，采用预应力扁钢丝或扁钢带缠绕的生长容器的失效形式为“只漏不爆”，而不会像现有GaN单晶生长容器那样有发生整体脆性破坏的风险，生长容器的安全性更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例公开的一种GaN单晶生长装置结构示意图；

图2为本发明实施例公开的又一种GaN单晶生长装置结构示意图；

图3为本发明实施例公开的一种GaN单晶生长装置防腐蚀衬套结构示意图；

图4为本发明实施例公开的一种GaN单晶生长方法的流程图；

图5为本发明实施例公开的一种GaN单晶生长容器内温度分布示意图。

附图标记：

10-生长容器；11-端盖；12-筒体；121-内筒体；122-预应力扁钢丝或扁钢带缠绕层；

20-机架；

30-籽晶区加热装置(含热电偶测温装置)；

40-隔板；

50-籽晶；

60-原料区加热装置(含热电偶测温装置)；

70-原料；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，本发明实施例公开了一种氮化镓单晶生长装置，包括生长容器10、设置在生长容器外的机架20、设置在生长容器内的加热装置30和60。

其中，生长容器10包括端盖11、筒体12和密封结构(图中未示出)，端盖11、筒体12和密封结构组成的密闭空间为氮化镓单晶提供生长环境，端盖11可设置为一个或两个，当筒体12为单端开孔时，设置一个端盖，当筒体12两端开孔时，设置两个端盖。

由于氨热法生长GaN单晶的生长环境为～200MPa、650℃，现有技术中，均采用镍基合金制造生长容器，但现阶段镍基合金铸锭的最大直径和最大重量通常小于φ1000mm及10吨，所制造的生长容器内径最大不超过φ300mm，限制了所生长的GaN单晶的尺寸。本发明生长容器筒体由内筒体121和缠绕在内筒体外壁的预应力扁钢丝或扁钢带122组成，将加热装置30和60设置在生长容器10内部，并在端盖11和内筒体121中设置有水冷槽或水冷板，以冷却生长容器筒体和端盖，使生长容器筒体和端盖的金属温度不超过425℃，此时内筒体121和端盖11采用高强度炮钢锻件、低合金钢锻件或钢板、不锈钢锻件或钢板、或不锈钢复合板制造。优选的，高强度炮钢锻件可选择22Cr₂Ni₄MoV、35CrNi₃MoVR、36CrNi₃MoVR等；低合金钢锻件或钢板选择16Mn、20MnMo、Cr-Mo钢锻件等；不锈钢锻件或钢板选择304、304L、316、316L等；不锈钢复合板基材采用低合金钢钢板、复材采用不锈钢钢板等；上述钢锻件或钢板均为成熟材料，铸锭重量可达数十吨甚至上百吨，此时，生长容器内径可做到φ1500mm及以上，远大于现有GaN单晶生长容器的尺寸。预应力扁钢丝材质采用65Mn弹簧钢；预应力扁钢带采用Q345R等低合金钢，上述扁钢丝或扁钢带也均为成熟材料，应用广泛。

端盖11与筒体12的密封结构(图中未示出)采用O型环、B形环、C形环、Bridgman密封、Grayloc密封、楔形环密封等，或一个以上上述任一种密封结构组合，或一种以上上述密封结构组合的密封形式，密封结构保证生长容器在真空、高温超高压工况下的密封性能，泄漏率≤1.0×10^-12Pa·m³/s。

机架20由立柱、半圆梁等经预应力扁钢丝缠绕后组成，机架20的主要用途为支撑生长容器，并固定生长容器端盖，抵消生长容器内的超高压所造成的轴向力。

加热装置30和60包含热电偶测温装置，在本实施例中，均从上端盖引入生长容器。加热装置可垂直引入生长容器，或在生长容器内部盘绕成螺旋形以增加加热面积，提高加热效率。

由于氨溶剂在GaN单晶生长环境下处于亚临界/超临界状态，此时氨会分解出氢气，氢气在高温超高压下会是钢材产生“氢脆”而发生脆性破坏，此外，由于生长容器中填充有矿化剂，矿化剂存在一定的腐蚀性，会腐蚀钢材，且腐蚀产物会污染GaN单晶，因此，在生长容器10内部所有与氨溶剂相接触的部位均存在防腐蚀衬套或防腐蚀层，与氨溶剂相接触的部位包括①内筒体内壁；②端盖内侧；③生长容器内部的结构件，如加热装置套管(30和60)、隔板40、原料篮(图中未示出)、籽晶架(图中未示出)、矿化剂胶囊容器(图中未示出)；④密封结构等。防腐蚀衬套或防腐蚀层为单层或双层结构，如图1所示，在本实施例中，防腐蚀层为单层结构。单层或双层结构中与氨溶剂接触的一侧采用铂Pt、铱Ir、金Au、银Ag、钯Pd、铑Rh、钌Ru等贵金属或其合金制成。铂Pt、铱Ir、金Au、银Ag、钯Pd、铑Rh、钌Ru等贵金属或其合金通过衬套、焊接和镀覆中的一种或一种以上的组合而配置。防腐蚀衬套或防腐蚀层的存在保护了生长容器免受氢气或腐蚀性矿化剂的腐蚀，且保证了GaN单晶的洁净度。

可选的，如图2所示，加热装置可分别从上端盖和下端盖引入生长容器。

可选的，如图3所示，防腐蚀衬套为双层结构，包括防腐蚀衬套和防腐蚀层，其中，防腐蚀衬套可与隔板40通过焊接等方式连接为一体，防腐蚀衬套采用比内筒体耐腐蚀性能更为优异的奥氏体不锈钢或镍基合金等，优选的，奥氏体不锈钢采用316L、镍基合金采用Inconel 625合金；防腐蚀层采用铂Pt、铱Ir、金Au、银Ag、钯Pd、铑Rh、钌Ru等贵金属或其合金制成。铂Pt、铱Ir、金Au、银Ag、钯Pd、铑Rh、钌Ru等贵金属或其合金通过衬套、焊接和镀覆中的一种或一种以上的组合而配置在防腐蚀衬套内侧。防腐蚀衬套和防腐蚀层一起通过套合方式安装在内筒体内侧。可选的，防腐蚀衬套的外侧可设置水冷槽。

本发明实施例还公开了一种氮化镓单晶生长方法，基于本发明实施例所提供的生长容器10，如图4所示，所述生长方法包括：

步骤S01：在生长容器10内设置隔板40，将生长容器分割为生长区和原料区。优选的，隔板40厚度大于等于50mm，使生长区和原料区的温度场之间产生温度梯度，如图5所示；

步骤S02：在生长区放置籽晶50，原料区放置氮化镓多晶原料70，并向生长容器内放置矿化剂；

步骤S03：封闭生长容器，抽真空后向生长容器内填充氨溶剂；

步骤S04：采用加热装置分别加热生长区和原料区，为生长区提供第一温度、为原料区提供第二温度，并使生长区和原料区之间存在温度差；在第一温度和第二温度下，生长容器内的氨溶剂处于亚临界/超临界状态，并在生长区和原料区之间产生对流流动，在生长区自发生成氮化镓种结晶，或促使生长区的氮化镓籽晶不断长大；

步骤S05：氮化镓单晶生长结束，取出氮化镓单晶，清洗、干燥生长容器，之后返回步骤S01，再次生长氮化镓单晶。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的方法而言，由于其与实施例公开的产品相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见产品部分说明即可。

在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。