一种用于HVPE反应炉的限域生长环及氮化物晶体生长方法技术

本发明专利技术公开了一种用于HVPE反应炉的限域生长环及氮化物晶体生长方法。本发明专利技术采用钨、钌和钼中的一种，或者采用钨、钌和钼中的一种的碳化物或氮化物的限域生长环，经过清洗、退火和激活使限域生长环的功能面具备化学活性；将限域生长环置于反应炉生长区中，生长过程中限域生长环对晶体侧向生长进行限制，从而阻止晶体的边缘生长，遏制生长过程中产生边缘效应，减少生长过程中产生的应力，最终实现厘米级GaN体晶生长；本发明专利技术实现方法简单，根据现有的技术水平能够容易实现，并大量推广；限域生长环能够经过热清洗后重复使用，节约了限域生长环的制作成本，经济实用；限域生长环能够根据不同HVPE反应炉生长区的不同结构进行优化设计，通用性强。通用性强。通用性强。

【技术实现步骤摘要】
一种用于HVPE反应炉的限域生长环及氮化物晶体生长方法


[0001]本专利技术涉及氮化物晶体生长技术，具体涉及一种用于HVPE反应炉的限域生长环及氮化物晶体生长方法。

技术介绍

[0002]III
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V族氮化物材料具备良好的光学和电学性质，使其在高效率发光器件、光电转换器件、功率电子器件、集成电路和传感器件等领域具有极大的应用价值。近年来，氮化物晶体生长技术已成为各国高技术产业战略性发展的核心，而氢化物气相外延(HVPE)反应炉是常见的一种氮化物(GaN)晶体生长设备。近年来，基于HVPE法的GaN自支撑衬底的生长技术已经成为了制备商用GaN自支撑衬底的主流技术。为了得到厚度达到厘米级的GaN体晶，需要解决HVPE生长炉中GaN的边缘效应，即边缘由于气流场、温度、生长晶面等物理参数的突变，产生的边缘易生长多晶、边缘的生长速率高于中心区域、以及边缘的晶体晶格常数和杂质浓度均与中心不同等问题。
[0003]目前氮化镓自支撑衬底的制备，膜厚一般小于1毫米，因此边缘效应的问题不是很严重，通过降低生长速率，或使用合适深度的晶种凹槽可以缓解边缘效应带来的问题。对下一代的GaN体晶生长技术来说，为了实现厘米级厚度GaN晶体生长，边缘效应的问题已经无法通过传统方法解决，因此亟需开发出一种新式的技术解决边缘效应问题。

技术实现思路

[0004]针对HVPE反应炉中GaN晶体生长过程中产生的边缘效应问题，本专利技术提出了一种用于HVPE反应炉的限域生长环及氮化物晶体生长方法，使用限域生长环并使用特殊的处理工艺对限域生长环进行处理，并且在生长过程中将限域生长环导入HVPE反应炉的生长区，以便对晶体侧向生长进行限制，从而解决边缘效应的发生，最终实现厘米级GaN体晶生长。
[0005]本专利技术的一个目的在于提出一种用于晶体生长中抑制侧向生长的限域生长环。
[0006]本专利技术的用于晶体生长中抑制侧向生长的限域生长环，限域生长环的材料采用钨、钌和钼中的一种，或者采用钨、钌和钼中的一种的碳化物或氮化物；采用粉末冶金法、熔炼法、化学气相沉积法或热压烧结技术将限域生长环的材料形成块体材料，再通过机械加工成型形成中心具有通孔的平板，通孔的形状为圆形或多边形，或者形成多段限域段，每一段限域段为圆环或多边环的一部分，多段限域段位于同一个圆环形或多边环形上，相邻的限域段之间的距离不超过3mm，制备得到限域生长环，限域生长环的内边缘形状与氮化镓晶体生长用的一个晶种的外边缘形状一致；限域生长环上与氮化镓晶体生长用的一个晶种生长表面平行的环面为限域生长环的功能面，对限域生长环的功能面进行机械处理，使得限域生长环的表面粗糙度为0.1nm～10μm，增强限域生长环的功能面的化学催化性能；限域生长环的厚度为0.5mm～1cm；限域生长环的内径为D1，限域生长环的外径为D2，氮化镓晶体生长用的一个晶种的直径为d，满足D1≤d+3mm，D2≥d+5mm；限域生长环的材料的纯度需要高于99％。
[0007]进一步，限域生长环的内径和外径分别满足：D1≥2mm；D2≤d+100mm。
[0008]限域生长环的厚度大于氮化镓晶体生长用的一个晶种的厚度。
[0009]本专利技术的另一个目的在于提出一种限域生长环用于氮化物晶体生长方法。
[0010]本专利技术的限域生长环用于氮化物晶体生长方法，包括以下步骤：
[0011]1)限域生长环的制备：
[0012]采用粉末冶金法、熔炼法、化学气相沉积法或热压烧结技术将限域生长环的材料形成块体材料，再通过机械加工成型形成中心具有通孔的平板，通孔的形状为圆形或多边形，或者形成多段限域段，多段限域段位于同一个圆环形或多边环形上，相邻的限域段之间的距离不超过3mm，制备得到限域生长环，限域生长环的内边缘形状与氮化镓晶体生长用的一个晶种的外边缘形状一致；限域生长环上与氮化镓晶体生长用的一个晶种生长表面平行的环面为限域生长环的功能面，对限域生长环的功能面进行机械处理，使得限域生长环的表面粗糙度为0.1nm～10μm，增强限域生长环的功能面的性能；限域生长环的厚度为0.5mm～1cm；限域生长环的内径为D1，限域生长环的外径为D2，氮化镓晶体生长用的一个晶种的直径为d，满足D1≤d+3mm，D2≥d+5mm；
[0013]2)限域生长环的清洗：
[0014]先采用无机清洗溶液对限域生长环进行有机清洗，然后采用有机清洗溶液对限域生长环进行有机清洗，去除机械加工成型时在限域生长环的功能面上残留物和脏污，使限域生长环的功能面的表面清洁；
[0015]3)限域生长环的热退火：
[0016]在设定的气体氛围中，控制退火温度和退火时间，对限域生长环进行热退火，去除限域生长环中的残余应力，并初步激活限域生长环的功能面；
[0017]4)限域生长环表面的激活：
[0018]控制温度和压力，使限域生长环的功能面处于激活气体氛围中，并维持设定的时间，激活限域生长环的功能面；
[0019]5)用于氮化物晶体的生长：
[0020]将限域生长环放置在HVPE反应炉生长区中，HVPE反应炉生长区中放置有氮化镓晶体生长用的晶种，使限域生长环的功能面环绕氮化镓晶体生长用的一个晶种的外环区域或者覆盖或部分覆盖氮化镓晶体生长用的一个晶种的边缘，进行氮化物晶体生长，氮化物晶体彻底无法生长在限域生长环的功能面上，从而生长过程中限域生长环对晶体侧向生长进行限制，阻止晶体的边缘生长，遏制生长过程中产生边缘效应，最终得到厘米级GaN体晶；
[0021]6)限域生长环的热清洗：
[0022]一次晶体生长结束后，从HVPE反应炉生长区中取出使限域生长环，控制温度和压力，使用清洗气体，采用热清洗工艺，清洗限域生长环的功能面，去除生长过程中限域生长环的功能面表面的残留物，从而限域生长环能够被重复利用；
[0023]7)按照步骤4)～6)，开始下一轮的晶体生长，实现限域生长环重复利用。
[0024]其中，在步骤1)中，限域生长环的材料采用钨、钌和钼中的一种，或者采用钨、钌和钼中的一种的碳化物或氮化物。限域生长环的材料的纯度需要高于99％。对限域生长环的功能面进行机械处理，采用机械研磨、化学机械抛光和电解研磨中的一种，使得限域生长环的表面粗糙度满足要求。
[0025]在步骤2)中，无机清洗溶液为丙酮、异丙醇、去离子水的一种或任意几种的混合，进行一步或多步无机清洗；无机清洗的条件为常温下40kHz～80kHz的超声清洗，清洗时间从5分钟～30分钟。有机清洗融液为盐酸、过氧化氢和水的任意比例混合的混合溶液，清洗温度为50℃～120℃，清洗时间为5分钟～30分钟。
[0026]在步骤3)中，热退火的气体氛围为真空，热退火时压力为小于10Pa，热退火的温度为1000℃～1500℃，时间为30分钟至10小时。
[0027]在步骤4)中，激活气体为氮气、氢气和氨气中的一种或多种组合；温度为1000℃～1500℃，压力为10kPa～101kPa；处理时间本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于晶体生长中抑制侧向生长的限域生长环，其特征在于，所述限域生长环的材料采用钨、钌和钼中的一种，或者采用钨、钌和钼中的一种的碳化物或氮化物；采用粉末冶金法、熔炼法、化学气相沉积法或热压烧结技术将限域生长环的材料形成块体材料，再通过机械加工成型形成中心具有通孔的平板，通孔的形状为圆形或多边形，或者形成多段限域段，每一段限域段为圆环或多边环的一部分，多段限域段位于同一个圆环形或多边环形上，相邻的限域段之间的距离不超过3mm，制备得到限域生长环，限域生长环的内边缘形状与氮化镓晶体生长用的一个晶种的外边缘形状一致；限域生长环上与氮化镓晶体生长用的一个晶种生长表面平行的环面为限域生长环的功能面，对限域生长环的功能面进行机械处理，使得限域生长环的表面粗糙度为0.1nm～10μm，增强限域生长环的功能面的化学催化性能；限域生长环的厚度为0.5mm～1cm；限域生长环的内径为D1，限域生长环的外径为D2，氮化镓晶体生长用的一个晶种的直径为d，满足D1≤d+3mm，D2≥d+5mm；限域生长环的材料的纯度高于99％。2.如权利要求1所述的限域生长环，其特征在于，所述限域生长环的内径和外径分别满足：D1≥2mm；D2≤d+100mm。3.一种限域生长环用于氮化物晶体生长方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1)限域生长环的制备：采用粉末冶金法、熔炼法、化学气相沉积法或热压烧结技术将限域生长环的材料形成块体材料，再通过机械加工成型形成中心具有通孔的平板，通孔的形状为圆形或多边形，或者形成多段限域段，多段限域段位于同一个圆环形或多边环形上，相邻的限域段之间的距离不超过3mm，制备得到限域生长环，限域生长环的内边缘形状与氮化镓晶体生长用的一个晶种的外边缘形状一致；限域生长环上与氮化镓晶体生长用的一个晶种生长表面平行的环面为限域生长环的功能面，对限域生长环的功能面进行机械处理，使得限域生长环的表面粗糙度为0.1nm～10μm，增强限域生长环的功能面的性能；限域生长环的厚度为0.5mm～1cm；限域生长环的内径为D1，限域生长环的外径为D2，氮化镓晶体生长用的一个晶种的直径为d，满足D1≤d+3mm，D2≥d+5mm；2)限域生长环的清洗：先采用无机清洗溶液对限域生长环进行有机清洗，然后采用有机清洗溶液对限域生长环进行有机清洗，去除机械加工成型时在限域生长环的功能面上残留物和脏污，使限域生长环的功能面的表面清洁；3)限域生长环的热退火：在设定的气体氛围中，控制退火温度和退火时间，对限域生长环进行热退火，去除限域生长环中的残余应力，并初步激活限域生长环的功能面；4)限域生长环表面的激活：控制温度和压力，使...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新强，刘强，刘放，盛博文，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：