申请/专利权人：北京大学东莞光电研究院

申请日：2018-12-27

公开（公告）日：2024-04-26

公开（公告）号：CN109652859B

主分类号：C30B29/40

分类号：C30B29/40;C30B9/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.26#授权;2019.05.14#实质审查的生效;2019.04.19#公开

摘要：本发明涉及一种光气耦合晶体生长装置，包括反应釜体、激光光源、坩埚和籽晶，籽晶设于坩埚内，坩埚一侧开设有坩埚通光口，激光光源通过坩埚通光口以切向位置射入坩埚内、并在坩埚内以回音壁传播模式传播，与现有技术相比，本发明的激光光源从坩埚一侧以切向位置射入坩埚内，激光光源以回音壁传播模式沿坩埚内壁传播，促使输入的激光光源与氮气充分耦合，高效激发更多的氮电离，从而加速氮溶入反应溶液中，提高反应溶液中的氮含量，进而大大提升晶体生长效率。

主权项：1.一种光气耦合晶体生长装置，包括反应釜体、激光光源、坩埚和籽晶，籽晶设于坩埚内，其特征在于，坩埚一侧开设有坩埚通光口，激光光源通过坩埚通光口以切向位置射入坩埚内、并在坩埚内以回音壁传播模式传播；激光光源的光传播路径设有至少一个交叉节点；坩埚的形状设置为结形结构、哑铃型结构或“8”字形结构，使激光光源在坩埚内回音壁式传播并将激光光源交在叉节点形成有光强最强区域；还包括至少一个喷风口和加热装置，至少一个喷风口喷送气体至反应溶液，加热装置加热坩埚内的反应溶液并使坩埚内形成有至少一个温区，不同温区的反应溶液可产生对流运动；所述反应釜体内设有进气口和出气口，进气口和出气口用于实现反应釜体腔体内的压强调节。

全文数据：一种光气耦合晶体生长装置技术领域本发明涉及晶体材料生长技术领域，特别是涉及一种光气耦合晶体生长装置。背景技术氮化镓GaN作为最重要的Ⅲ族氮化物半导体，属于宽带隙半导体材料，在光电子器件等诸多应用领域中，厚膜GaN作为同质外延衬底将对器件性能提高起到巨大的推动作用。目前GaN晶体厚膜的研制方法，主要是金属有机化学气相沉积法、氢化物气相外延法、分子束外延法以及纳流法等，其中采用纳流法可得到较好的晶体质量和较快的晶体生长速度。现有的纳流法一般将钠等碱金属作为溶剂，可在比较温和的条件下液相生长GaN等氮化物晶体，但在液相生长GaN晶体中，晶体生长质量和速率又将受到晶种模版表面Ga-Na溶液中氮浓度的影响，现有中有采用旋转、摇摆及搅拌等方法促进氮气与Ga源的混合，但混合效率较为不理想，如中国实用新型说明书CN201620579933.5公开的一种N浓度分布均衡的GaN晶体生长装置，包括密封釜体，釜体内设有坩埚，釜体的上盖连接有被动搅拌轴，利用驱动转盘和被动搅拌机构的配合对GaN生长溶液进行搅拌，现有中也存在向坩埚内射入光能量以激发氮气电离，加速氮溶入反应溶液中，提高生长速度，如中国实用新型专利说明书CN206512322U公开一种光作用的晶体生长装置，包括反应釜、坩埚和加热器，坩埚设在反应釜内，反应釜上设有延伸至坩埚内的光传输通道，该光传输通道与光源连接使光源发出的光线经光传输通道射入坩埚内，光传输通道的下端位于坩埚内的溶液液面的上方或内部，因而氮与光源的电离反应位置仅仅限制在光传输通道的端部，同时也必须配备搅拌叶片来驱动空气流动，未能充分使氮与光源高效地快速耦合，进一步提高晶体生长效率。发明内容为解决上述问题，本发明提供一种大大提升晶体生长效率的光气耦合晶体生长装置。为解决上述目的，本发明采用的如下技术方案。一种光气耦合晶体生长装置，包括反应釜体、激光光源、坩埚和籽晶，籽晶设于坩埚内，坩埚一侧开设有坩埚通光口，激光光源通过坩埚通光口以切向位置射入坩埚内、并在坩埚内以回音壁传播模式传播。优选地，激光光源的光传播路径设有至少一个交叉节点、且激光光源在该交叉节点处形成有光强最强区域。优选地，坩埚的形状设置为结形结构、哑铃型结构或“8”字形结构，以激光光源在坩埚内回音壁式传播并激光光源交叉形成有光强最强区域。优选地，还包括至少一个喷风口，至少一个喷风口喷送气体至反应溶液。优选地，喷风口可垂直喷吹或倾斜喷吹气体至反应溶液，喷风口的喷送流速可恒定不变或周期性改变。优选地，籽晶设有至少一组，至少一组籽晶可位于喷风口正下方或置于喷风口任意一侧或分别置于喷风口两侧。优选地，还包括加热装置，加热装置加热坩埚内的反应溶液并使坩埚内形成有至少一个温区，不同温区的反应溶液可产生对流运动。优选地，加热装置可设置为电阻加热装置或射频加热装置。优选地，激光光源可为紫外光源或红外光源，激光光源的波长范围为100nm～1064nm，激光光源可以是单一波长或多波长的组合，激光光源可设置为准分子光源、全固态光源、倍频光源或脉冲光源的任一种，激光光源的光束半径至少大于0.1微米。优选地，反应釜体内设有进气口和出气口，进气口和出气口用于实现反应釜体腔体内的压强调节。本发明的有益效果如下：与现有技术相比，本发明的激光光源从坩埚一侧以切向位置射入坩埚内，激光光源以回音壁传播模式沿坩埚内壁传播，促使输入的激光光源与氮气充分耦合，高效激发更多的氮电离，从而加速氮溶入反应溶液中，提高反应溶液中的氮含量，进而大大提升晶体生长效率。附图说明图1为本发明的一个实施例的俯视结构示意图。附图标记说明：1.反应釜体、11.进气口、12.出气口、13.反应釜体通光窗口、2.激光光源、3.坩埚、31.坩埚通光口、32.交叉节点、4.籽晶、5.喷风口、6.加热装置、61.加热装置通光口、7.反应溶液。具体实施方式下面将结合附图对本发明作进一步的说明。参考图1，一种光气耦合晶体生长装置，包括反应釜体1、激光光源2、坩埚3和籽晶4，籽晶4设于坩埚3内，坩埚3一侧开设有坩埚通光口31，激光光源2通过坩埚通光口31以切向位置射入坩埚3内、并在坩埚3内以回音壁传播模式传播，与现有技术相比，本发明的激光光源2从坩埚3一侧以切向位置射入坩埚3内，激光光源2以回音壁传播模式沿坩埚3内壁传播，可促使输入的激光光源2与氮气充分耦合，高效激发更多的氮电离，从而加速氮溶入反应溶液7中，提高反应溶液7中的氮含量，进而大大提升晶体生长效率。本实施例的激光光源2的光传播路径设有至少一个交叉节点32、且激光光源2在该交叉节点32处形成有光强最强区域，本实施例的光强最强区域指的是该区域的光强强度高于其周边区域的光强强度，两束或多束激光光源2在交叉节点32相交，加强了该交叉节点32处的光强，该光强最强区域促使氮气电离更为活跃，图1示出，本实施例的坩埚3的形状设置为“8”字形结构，激光光源2可在坩埚3内回音壁式传播并激光光源2交叉形成有光强最强区域，在其他优选的实施例中，坩埚3的形状还可设置为结形结构或哑铃型结构，使激光光源2在坩埚3内回音壁式传播并激光光源2的入射波和反射波在交叉节点32处相交形成光强最强区域，参照图1，本实施例的交叉节点32设置为一个，激光光源2的入射波和反射波在该交叉节点32处相交形成驻波，并可形成光源最强区域，加速该光源最强区域的氮电离，但交叉节点32的数量不限于此，还可设为两个或多个，坩埚3的形状可根据所需交叉节点32而重新设计，在此不再赘述。本实施例还包括至少一个喷风口5，至少一个喷风口5喷送气体至反应溶液7，喷风口5将电离的气体吹向反应溶液7液面，喷风口5可以是垂直把氮气吹到镓源液面，也可以按照一定的角度倾斜，将氮气吹到镓源液面，喷风口5的喷送流速可恒定不变或周期性改变，可加速化学反应，籽晶4设有至少一组，至少一组籽晶4可位于喷风口5正下方或置于喷风口5任意一侧或分别置于喷风口5两侧，图1示出，本实施例的喷风口5设置有一个，但不限于此，喷风口5位于光源最强区域上方，籽晶4设有一个，但不限于此，籽晶4位于喷风口5的左侧，光强最强区域电离的气体通过喷风口5作用加速吹送至反应溶液7液面，进一步加速化学反应，提高晶体生长效率，喷风口5可以为任意几何形状，可以是但不限于圆孔、方孔以及三角形孔。参照图1，本实施例还包括加热装置6，加热装置6加热坩埚3内的反应溶液7并使坩埚3内形成有至少一个温区，不同温区的反应溶液7可产生对流运动，通过调整反应釜体1内的各个温区的温度差异，使反应溶液7发生对流运动，由此反应溶液7整体做均一的运动，利于获得质量均一的晶体材料，同时实现反应速率可调，并可避免在反应溶液7表面结晶，本实施例的加热装置6可设置为电阻加热装置6或射频加热装置6，但不限于此，图1示出，本实施例加热装置6包覆在坩埚3外，坩埚3内形成有两个温区，两个温区分别位于喷风口5两侧，籽晶4位于喷风口5的左侧，籽晶4的尺寸和大小可以随坩埚3的大小而变化，以具有籽晶4的温区为第一温区，以没有籽晶4的温区为第二温区，第二温区的温度设定可高于第一温区的温度设定10℃，但不限于10℃，喷风口5向第二温区喷吹输送气体，促使第二温区内的反应溶液7形成过饱和溶液，并通过扩散和对流向第一温区流动，在籽晶4处生成晶体材料，并循环往复流动，提升晶体生长效率，由于本实施例的坩埚3的形状设置为“8”字形结构，光强最强区域可与流场运动最强区域相重合，利于提升晶体生产效率，在其他优选的实施例中，温区还可设有三个，第一温区和第二温区的温度可相同也可不同，促使反应溶液7形成对流运动，籽晶4可设有两组，两组籽晶4分别设在喷风口5两侧的反应溶液7内，在此不再赘述。本实施例的激光光源2可为紫外光源，但不限于此，激光光源2还可为红外光源，激光光源2的波长范围为100nm～1064nm，激光光源2可以是单一波长或多波长的组合，激光光源2可设置为准分子光源、全固态光源、倍频光源或脉冲光源的任一种，激光光源2的光束半径至少大于0.1微米，利于激发氮电离，本实施例的反应釜体1内设有进气口11和出气口12，进气口11和出气口12用于实现反应釜体1腔体内的压强调节，使反应釜体1腔内压强达到材料生长所需条件，反应釜体1还设有反应釜体通光窗口13，加热装置6设有加热装置通光口61，激光可依次经过反应釜体通光窗口13、加热装置通光口61和坩埚通光口31进入坩埚3内。本实施例的工作原理如下：通过加热装置6对反应釜体1内部坩埚3逐步升温达到材料生长所需温度，通过进气口11及出气口12调整反应釜体1腔体内压强，使腔体温度及压强均达到材料生长所需条件，这时通过反应溶液7上方的喷风口5向反应溶液7喷射热氮气，此时气体温度应与材料生长温度相同或略高于材料生长温度，开启激光光源2，光通过坩埚通光口31，以沿坩埚3的切向方向进入，在坩埚3内以回音壁传播模式传播，加速气体电离，激光光源2的入射波和反射波在交叉节点32处形成光强最强区域，光强最强区域处可进一步加速气体电离，通过调整反应釜体1内两侧温度差异，反应溶液7发生对流运动，同时喷风口5向没有籽晶4一侧喷吹以将电离气体吹向反应溶液7液面，促使没有籽晶4一侧的反应溶液7形成过饱和溶液，并通过扩散和对流向有籽晶4一侧流动，籽晶4处生成晶体材料，如此循环往复流动，提升晶体生长效率。以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

权利要求：1.一种光气耦合晶体生长装置，包括反应釜体、激光光源、坩埚和籽晶，籽晶设于坩埚内，其特征在于，坩埚一侧开设有坩埚通光口，激光光源通过坩埚通光口以切向位置射入坩埚内、并在坩埚内以回音壁传播模式传播。2.根据权利要求1所述的一种光气耦合晶体生长装置，其特征在于，激光光源的光传播路径设有至少一个交叉节点、且激光光源在该交叉节点处形成有光强最强区域。3.根据权利要求2所述的一种光气耦合晶体生长装置，其特征在于，坩埚的形状设置为结形结构、哑铃型结构或“8”字形结构，以激光光源在坩埚内回音壁式传播并激光光源交叉形成有光强最强区域。4.根据权利要求1-3任一项所述的一种光气耦合晶体生长装置，其特征在于，还包括至少一个喷风口，至少一个喷风口喷送气体至反应溶液。5.根据权利要求4所述的一种光气耦合晶体生长装置，其特征在于，喷风口可垂直喷吹或倾斜喷吹气体至反应溶液，喷风口的喷送流速可恒定不变或周期性改变。6.根据权利要求4所述的一种光气耦合晶体生长装置，其特征在于，籽晶设有至少一组，至少一组籽晶可位于喷风口正下方或置于喷风口任意一侧或分别置于喷风口两侧。7.根据权利要求1所述的一种光气耦合晶体生长装置，其特征在于，还包括加热装置，加热装置加热坩埚内的反应溶液并使坩埚内形成有至少一个温区，不同温区的反应溶液可产生对流运动。8.根据权利要求7所述的一种光气耦合晶体生长装置，其特征在于，加热装置可设置为电阻加热装置或射频加热装置。9.根据权利要求1任一项所述的一种光气耦合晶体生长装置，其特征在于，激光光源可为紫外光源或红外光源，激光光源的波长范围为100nm～1064nm，激光光源可以是单一波长或多波长的组合，激光光源可设置为准分子光源、全固态光源、倍频光源或脉冲光源的任一种，激光光源的光束半径至少大于0.1微米。10.根据权利要求1所述的一种光气耦合晶体生长装置，其特征在于，反应釜体内设有进气口和出气口，进气口和出气口用于实现反应釜体腔体内的压强调节。

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