一种氮化镓单晶生长装置和方法

本发明涉及晶体生长，尤其涉及一种氮化镓单晶生长装置和方法。

背景技术：

1、在半导体材料领域，单晶氮化镓因其独特的物理和化学性质，如高熔点、高硬度、良好的化学稳定性以及优异的电子传输性能，而被广泛应用于光电子器件、高功率电子器件和微波器件等领域。然而，氮化镓单晶的生长过程复杂且难以控制，特别是在助熔剂法生长过程中，面临着诸多技术挑战。

2、现有的助熔剂法生长氮化镓单晶需要高压氮气在气液界面解离，然后通过表面传质到反应釜底部籽晶处，与镓离子结合生长氮化镓单晶，然而，现有技术存在以下缺陷：

3、其一就是缺少对籽晶固定的装置，籽晶容易随反应釜旋转而旋转，进而影响氮化镓单晶的方向性；

4、其二就是高压氮气解离氮离子的速率低下及氮离子在熔体内不能均匀分布，极大地影响氮化镓单晶的生长质量。

5、因此，需要对现有技术进行改进。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供种氮化镓单晶生长装置和方法，以解决现有技术的氮化镓单晶的生长质量和方向性低下的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种氮化镓单晶生长装置，其包括轴承件、搅拌件和反应釜，所述轴承件包括内圈、滚珠和外圈，其中，所述滚珠设于所述内圈和所述外圈之间，所述内圈用于固定籽晶，所述外圈和搅拌件连接所述反应釜,所述外圈的圆心位于所述反应釜的转轴上，所述反应釜受驱，所述内圈静止，所述外圈和搅拌件同步转动。

4、较佳地，所述内圈包括内圈上部和内圈下部，所述内圈上部和内圈下部相对设置，所述内圈上部的壁厚小于所述内圈下部的壁厚，所述外圈的圆心到所述内圈上部内壁的间距不小于所述外圈的圆心到所述内圈下部内壁的间距。

5、较佳地，所述氮化镓单晶生长装置还包括连接件和固定部，所述固定部开设有凹槽，所述连接件的第一端连接所述内圈下部，所述连接件的第二端连接所述固定部，所述凹槽水平设置，所述籽晶固定于所述凹槽内。

6、较佳地，所述搅拌件包括若干凸起，所述若干凸起固定连接所述反应釜的内壁，并沿所述反应釜的内壁间隔分布。

7、较佳地，所述反应釜还包括进气口，所述进气口连接有装载有氮气的气源。

8、较佳地，所述氮化镓单晶生长装置还包括加热件，所述反应釜装有化学原料，所述加热件设于所述反应釜的外壁，用于对所述化学原料进行加热以形成熔体。

9、较佳地，所述氮化镓单晶生长装置还包括驱动器，所述驱动器连接所述反应釜，用于驱动所述反应釜绕其转轴转动。

10、较佳地，所述氮化镓单晶生长装置还包括釜盖，所述反应釜设有进料口，所述釜盖与所述进料口相匹配，用于密闭所述进料口。

11、一种氮化镓单晶生长方法，其包括以下步骤：

12、s1、将镓、钠、碳等化学原料投入反应釜内部，将籽晶固定于轴承件内圈的凹槽中，将轴承件的外圈连接固定在反应釜内壁，密闭所述反应釜；

13、s2、向所述反应釜通入恒压氮气，并使所述反应釜升温至预设温度，所述化学原料熔化形成熔体，所述氮气进入所述反应釜内部并解离生成氮离子，所述氮离子接触所述熔体；

14、s3、驱使反应釜旋转,所述反应釜内壁上的凸起会搅拌熔体，促进所述氮气解离及所述氮离子在熔体中内的均匀分布，由于重力作用及滚珠的无摩擦滑动，所述籽晶及固定部保持水平状态，始终浸入所述熔体中，所述氮离子与镓结合在所述籽晶处形成氮化镓单晶；

15、s4、待氮化镓单晶生长厚度达到预设厚度，结束生长，对所述反应釜降温及泄压后，取出所述氮化镓单晶。

16、较佳地，步骤s3中，所述反应釜以5-15r/min的旋转速率转动。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果：

18、本发明设计了一种氮化镓单晶生长装置和方法，氮化镓单晶生长装置包括反应釜，轴承件包括内圈、滚珠和外圈，滚珠设于内圈和外圈之间，内圈包括内圈上部和内圈下部，外圈的圆心到内圈上部内壁的间距不小于外圈的圆心到内圈下部内壁的间距，内圈上部的壁厚小于内圈下部的壁厚，固定部连接内圈下部，固定部开设有水平设置的凹槽，籽晶限位于凹槽，此时固定部、籽晶、连接件、内圈的总体的重心要低于反应釜的转轴，再加上滚珠的无摩擦滑动设计，反应釜旋转过程中，固定槽和籽晶能保持水平状态，外圈和搅拌件连接反应釜,外圈的圆心在反应釜转轴上，反应釜受驱，外圈和搅拌件同步转动，其解决了现有技术的籽晶随反应釜旋转进而影响氮化镓单晶的方向性的问题，促进氮气解离生成氮离子及氮离子在熔体内均匀分布，解决了现有技术的生长质量低下的问题。

技术特征：

1.一种氮化镓单晶生长装置，其特征在于：包括轴承件、搅拌件和反应釜，所述轴承件包括内圈、滚珠和外圈，其中，所述滚珠设于所述内圈和所述外圈之间，所述内圈用于固定籽晶，所述外圈和搅拌件连接所述反应釜,所述外圈的圆心位于所述反应釜的转轴上，所述反应釜受驱，所述内圈静止，所述外圈和搅拌件同步转动。

2.根据权利要求1所述的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：所述内圈包括内圈上部和内圈下部，所述内圈上部和内圈下部相对设置，所述内圈上部的壁厚小于所述内圈下部的壁厚，所述外圈的圆心到所述内圈上部内壁的间距不小于所述外圈的圆心到所述内圈下部内壁的间距。

3.根据权利要求2所述的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：还包括连接件和固定部，所述固定部开设有凹槽，所述连接件的第一端连接所述内圈下部，所述连接件的第二端连接所述固定部，所述凹槽水平设置，所述籽晶固定于所述凹槽内。

4.根据权利要求1所述的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：所述搅拌件包括若干凸起，所述若干凸起固定连接所述反应釜的内壁，并沿所述反应釜的内壁间隔分布。

5.根据权利要求1所述的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：所述反应釜还包括进气口，所述进气口连接有装载有氮气的气源。

6.根据权利要求1所述的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：还包括加热件，所述反应釜装有化学原料，所述加热件设于所述反应釜的外壁，用于对所述化学原料进行加热以形成熔体。

7.根据权利要求1所述的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：还包括驱动器，所述驱动器连接所述反应釜，用于驱动所述反应釜绕其转轴转动。

8.根据权利要求1所述的氮化镓单晶生长装置，其特征在于：还包括釜盖，所述反应釜设有进料口，所述釜盖与所述进料口相匹配，用于密闭所述进料口。

9.一种氮化镓单晶生长方法，适用于如权利要求1-8任一项所述的氮化镓单晶生长装置，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的氮化镓单晶生长方法，其特征在于，步骤s3中，所述反应釜以5-15r/min的旋转速率转动。

技术总结本发明公开了一种氮化镓单晶生长装置和方法，其包括轴承件、搅拌件和反应釜，轴承件包括内圈、外圈以及设于内圈和外圈之间的滚珠，内圈包括内圈上部和内圈下部，外圈的圆心到内圈上部内壁的间距不小于外圈的圆心到内圈下部内壁的间距，内圈上部的壁厚小于内圈下部的壁厚，固定部连接内圈下部，并设有凹槽，籽晶限位于凹槽，固定槽、籽晶、连接件、内圈的总体的重心要低于反应釜的转轴，再加上滚珠的无摩擦滑动，反应釜旋转时，固定槽和籽晶能保持水平状态，外圈的圆心在反应釜转轴上，搅拌件连接反应釜，反应釜带动搅拌件和外圈转动，其解决了籽晶随反应釜翻转进而影响氮化镓单晶生长方向性的问题，促进了氮气的解离并使氮离子在熔体均匀分布。技术研发人员：张敏,陈垦宇,刘强,刘南柳,姜永京,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：2024/8/21