一种GaN单晶生长装置的加热装置的制作方法

一种gan单晶生长装置的加热装置
技术领域
[0001]
本实用新型涉及在超临界流体中生长材料的技术领域，具体涉及一种gan单晶生长装置的加热装置。


背景技术：

[0002]
第三代半导体材料是以氮化镓(gan)、碳化硅(sic)、金刚石、氧化锌为代表的宽禁带半导体材料，是世界各国半导体领域研究的热点。氮化镓具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能，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具有广阔的市场前景。
[0003]
由于热等静压容器内是密闭环境，但现有技术中，无对流散热，高压釜原料区和生长区之间的温度差很难实现。
[0004]
现有技术中，公开号为cn109930202a的中国专利文献公开了一种适合氨热法生成氮化镓单晶制品的热等静压装置，其主要由内部设置热区的工作缸，置于所述的热区中的生成直径为200～400mm或更大规格的相应尺寸的氮化镓单晶生长容器以及工作缸外部装有通过管路对工作缸的内筒、上端盖、下端盖、上冷却套和下冷却套进行冷却的冷却水泵组成，其不足之处在于：1.在热等静压容器内增设冷却水系统结构复杂，2.连接处容易发生泄漏风险，给热等静压容器和gan单晶生长用高压釜带来安全隐患。
[0005]
为了克服现有技术的缺陷，目前急需一种温度可控、结构简单的在热等静压容器内生长gan单晶的装置。


技术实现要素：

[0006]
有鉴于此，本实用新型要解决的问题是提供一种gan单晶生长装置的加热装置。
[0007]
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种gan单晶生长装置的加热装置，包括一密闭高压釜以及位于高压釜外部的加热装置，所述高压釜固定安装于热等静压容器内部，所述高压釜外侧设有一气体导流罩，所述热等静压容器内部还设有一气体循环装置，以实现高压釜外部气体的对流循环。
[0008]
所述气体导流罩包括一端开口的罩体，套设于热等静压容器以及高压釜之间。
[0009]
所述气体导流罩包括导流罩端盖和导流罩筒体，所述气体导流罩端盖中部设有一通孔，以实现气体导流罩内外的空气流通；
[0010]
所述气体导流罩的材质是采用不锈钢、高温镍合金、钼合金或石墨等非透气型耐热材料。
[0011]
所述气体循环装置设置于气体导流罩封闭一侧的内外两侧，用于实现高压釜外部空气在气体导流罩上部与下部之间的对流循环，使得对热等静压容器与高压釜之间的温度稳定控制，以实现对高压釜轴向温度的精确控制在100℃以下。
[0012]
所述加热装置包括位于高压釜上下两侧的上部电阻丝支架和下部电阻丝支架，所述上部电阻丝支架和下部电阻丝支架在高压釜外侧轴向分段设置，所述电阻丝支架的内侧
均固定安装有至少一组的加热电阻丝，以实现对高压釜上下两部分分别进行加热，并使高压釜上下两部分产生阶跃温差；
[0013]
所述加热装置上下端设有绝热层，用于防止外界温度对高压釜内部温度的影响，所述绝热层由上到下依次为顶部绝热层、釜体上部绝热层、中部绝热层、釜体下部绝热层和位于高压釜支架上部的底部绝热层，其中，所述上部电阻丝支架和下部电阻丝支架之间设有中部绝热层，使得高压釜上下两部分之间的阶跃温差，进而加速gan单晶的快速生长。
[0014]
所述上部电阻丝支架和下部电阻丝支架以及绝热层为同一种材料，所述电阻丝支架和绝热层的材料为硅酸铝、氧化锆、氮化铝或氧化铝制品的其中之一。
[0015]
所述高压釜内通过一带通孔的隔板分割为第一反应腔和第二反应腔。
[0016]
所述第一反应腔内设有用于盛装gan单晶生长所需的多晶培养料以及用于调节多晶培养料在溶剂内的溶解度的矿化剂，所述溶剂为超临界氨流体溶液。
[0017]
所述第二反应腔内设有用于gan单晶生长的籽晶。
[0018]
所述高压釜固定安装于热等静压容器内部的高压釜支架上。
[0019]
高压釜内部压强通过加热装置的加热温度控制，所述热等静压容器内填充有惰性气体，高压釜外部压强通过高压釜外部的惰性气体量和气体循环装置对高压釜外部的对流循环实现的温度控制，以实现高压釜外部的压力始终大于高压釜内的压力，使得高压釜处于外压工况。
[0020]
其中，热等静压容器内的温度维持在100度以下，热等静压容器内压力与高压釜内压力差值不大于20mpa。
[0021]
本实用新型具有的优点和积极效果是：
[0022]
(1)本实用新型通过加热装置和绝热层，实现对使得高压釜上下两部分之间的阶跃温差，进而加速gan单晶的快速生长。
[0023]
(2)本实用新型通过绝热层，避免了高压釜外部温度影响高压釜内部温度。
[0024]
(3)本实用新型通过设置加热装置和气体循环装置，实现了通过加热装置控制高压釜内部压强，气体循环装置控制高压釜外部压强，以实现高压釜外部的压力始终大于高压釜内的压力，使得高压釜处于外压工况，保证了高压釜的安全，提高了生产效率。
附图说明
[0025]
图1是本实用新型的一种gan单晶生长装置的加热装置的整体结构图；
[0026]
图2是本实用新型的一种gan单晶生长装置的加热装置的热等静压容器的内部结构示意图；
[0027]
图3是本实用新型的一种gan单晶生长装置的加热装置的气体循环装置的气体循环方向示意图；
[0028]
图中：
[0029]
1，热等静压容器、101，高压釜支架、102，高压釜、1021，第一反应腔、1022，隔板、1023，第二反应腔；
[0030]
2，加热装置、201，上部电阻丝支架、202，下部电阻丝支架、203，加热电阻丝、204，多晶培养料、205,籽晶、206，绝热层、2061，顶部绝热层、2062，上部绝热层、2063，中部绝热层、2064，下部绝热层、2065，底部绝热层；
[0031]
3，气体循环装置、301，气体导流罩、302，导流罩端盖、303，导流罩筒体、304，通孔、305，内循环装置、306，电机、307，风扇、308，外循环装置、309，气体循环压缩机、310，进气管、311，出气管、312，进气孔、313，出气孔。
具体实施方式
[0032]
如图1至图3所示，本实用新型提供一种gan单晶生长装置的加热装置，包括一密闭高压釜102以及位于高压釜102外部的加热装置2，所述高压釜102固定安装于热等静压容器1内部，所述高压釜102外侧设有一气体导流罩301，所述热等静压容器1内部还设有一气体循环装置3，以实现高压釜102外部气体的对流循环。
[0033]
所述气体导流罩301包括一端开口的罩体，套设于热等静压容器1以及高压釜102之间。
[0034]
所述气体导流罩301包括导流罩端盖302和导流罩筒体303，所述气体导流罩301端盖302中部设有一通孔304，以实现气体导流罩301内外的空气流通；
[0035]
所述气体导流罩301的材质是采用不锈钢、高温镍合金、钼合金或石墨等非透气型耐热材料。
[0036]
在具体的实施例中，气体循环装置3的工作过程中，气体导流罩301的内外空气通过气体导流罩301的下端开口和导流罩端盖302中部的通孔304实现气体导流罩301内外空气的对流循环。
[0037]
所述加热装置2包括位于高压釜102上下两侧的上部电阻丝支架201和下部电阻丝支架202，所述上部电阻丝支架201和下部电阻丝支架202在高压釜102外侧轴向分段设置，所述电阻丝支架的内侧均固定安装有至少一组的加热电阻丝203，以实现对高压釜102上下两部分分别进行加热，并使高压釜102上下两部分产生阶跃温差；
[0038]
所述高压釜102固定安装于热等静压容器1内部的高压釜支架101上，所述高压釜102内通过一带通孔304的隔板1022分割为第一反应腔1021和第二反应腔1023。
[0039]
所述第一反应腔1021内设有用于盛装gan单晶生长所需的多晶培养料204以及用于调节多晶培养料204在溶剂内的溶解度的矿化剂，所述溶剂为超临界氨流体溶液。
[0040]
所述第二反应腔1023内设有用于gan单晶生长的籽晶205。
[0041]
在具体的实施例中，上部加热电阻丝203和下部加热电阻丝203分别对第一反应腔1021和第二反应腔1023进行加热，使得第一反应腔1021和第二反应腔1023之间产生阶跃温差，促使高压釜102内的溶剂在釜内产生对流流动，此时，高压釜102内的氨溶剂处于超临界状态，从而加速gan单晶在超临界环境下在籽晶205上的快速生长。
[0042]
进一步地，所述加热装置2上下端设有绝热层206，用于防止外界温度对高压釜102内部温度的影响，所述绝热层206由上到下依次为顶部绝热层2061、上部绝热层2062、中部绝热层2063、下部绝热层2064和位于高压釜支架101上部的底部绝热层2065，其中，所述上部电阻丝支架201和下部电阻丝支架202之间设有中部绝热层2063，使得高压釜102上下两部分之间的阶跃温差，进而加速gan单晶的快速生长。
[0043]
所述上部电阻丝支架201和下部电阻丝支架202以及绝热层206为同一种材料，所述电阻丝支架和绝热层206的材料为硅酸铝、氧化锆、氮化铝或氧化铝制品的其中之一。
[0044]
在具体的实施例中，在加热装置2工作过程中，绝热层206实现对高压釜102的内部
温度进行保持，其中，中部绝热层2063通过将上部加热电阻丝203和下部加热电阻丝203隔开，使得第一反应腔1021和第二反应腔1023的温度互不干扰，实现了第一反应腔1021和第二反应腔1023之间产生阶跃温差，从而加速gan单晶在结晶区的快速生长。
[0045]
进一步地，气体循环装置3实现了气体导流罩301内外部气体进行对流循环，使得对高压釜102上下部温差的温度稳定控制，以实现对高压釜102轴向温度的精确控制在100℃以下，保证了高压釜102的安全，提高了生产效率。
[0046]
进一步地，在具体实施例中，所述气体循环装置3包括：
[0047]
外循环装置308，所述外循环装置308的进气端以及出气端分别设置于所述气体导流罩301的内外两侧，且均与所述热等静压容器1外部连通，所述外循环装置308的进气端和出气端分别设有若干个进气孔312和若干个出气孔313，所述外循环装置308的进气端和出气端均通过气体管道与设置于热等静压容器1外侧的气体循环压缩机309连通；
[0048]
在本实用新型的一个具体的实施例中，外循环装置308将气体导流罩301外部的空气通过进气端的进气孔312和进气管310传输至气体循环压缩机309内，气体循环压缩机309内的空气通过出气端的出气孔313和出气管311排出至气体导流罩301内部，以实现热等静压容器1内部与热等静压容器1外部产生热交换，从而稳定控制热等静压容器1内部的温度，以实现加速gan单晶在第二反应腔1023内的生长。
[0049]
进一步地，内循环装置305，所述内循环装置305设置于所述气体导流罩301内部，实现对气体导流罩301内部气体的驱动，以实现气体导流罩301内外气体的交换，所述内循环装置305包括固定设置于热等静压容器1内侧顶部的电机306，所述电机306的输出端穿过通孔304连接有设置于气体导流罩301内部的风扇307，便于使控制气体导流罩301内的空气流向。
[0050]
在具体的实施例中，内循环装置305的风扇307将气体导流罩301内部的空气吹至气体导流罩301下部，从而排出至气体导流罩301外侧，与此同时，由于热等静压容器1内部密闭，气体导流罩301外部上方的空气随导流罩端盖302中部的通孔304进入至气体导流罩301内部，使得气体导流罩301外侧下部的空气向上部运动，形成气体导流罩301内外部的对流循环。
[0051]
高压釜102内部压强通过加热装置2的加热温度控制，所述热等静压容器1内填充有惰性气体，高压釜102外部压强通过高压釜102外部的惰性气体量和气体循环装置3对高压釜102外部的对流循环实现的温度控制，以实现高压釜102外部的压力始终大于高压釜102内的压力，使得高压釜102处于外压工况。
[0052]
其中，热等静压容器1内的温度维持在100度以下，热等静压容器1内压力与高压釜102内压力差值不大于20mpa。
[0053]
本实用新型的工作原理和工作过程如下：上部加热电阻丝203和下部加热电阻丝203分别对第一反应腔1021和第二反应腔1023进行加热，使得第一反应腔1021和第二反应腔1023之间产生阶跃温差，促使高压釜102内的溶剂在釜内产生对流流动，此时，高压釜102内的氨溶剂处于超临界状态，从而加速gan单晶在超临界环境下在籽晶205上的快速生长。
[0054]
所述电机306驱动风扇307转动，将气体导流罩301内部的空气吹至气体导流罩301下部，从而排出至气体导流罩301外侧，与此同时，内循环装置305的风扇307将气体导流罩301外部上方的空气由导流罩端盖302中部的通孔304吹进至气体导流罩301内部，使得气体
导流罩301外侧下部的空气向上部运动，形成气体导流罩301内外气体产生对流循环；
[0055]
气体循环压缩机309将气体导流罩301外部的空气通过进气端的进气孔312和进气管310传输至气体循环压缩机309内，气体循环压缩机309内的空气通过出气端的出气孔313和出气管311排出至气体导流罩301内部，以实现热等静压容器1内部与热等静压容器1外部产生热交换，进而降低热等静压容器1内的温度，以实现对高压釜102轴向温度的精确控制在100℃以下，保证了高压釜102的安全，提高了生产效率。
[0056]
本实用新型的特点在于：通过设置加热装置2，实现对使得高压釜102上下两部分之间的阶跃温差，进而加速gan单晶的快速生长；通过设置绝热层206，避免了高压釜102外部温度影响高压釜102内部温度；通过设置加热装置2和气体循环装置3，实现了通过加热装置2控制高压釜102内部压强，气体循环装置3控制高压釜102外部压强，以实现高压釜102外部的压力始终大于高压釜102内的压力，使得高压釜102处于外压工况，保证了高压釜102的安全，提高了生产效率。
[0057]
以上对本实用新型的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定本实用新型的实施范围。凡依本实用新型范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本专利涵盖范围之内。